vorlesung, 17. okt. 2012 - 1 Ökophysiologie biochemische und zellphysiologische aspekte der...
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Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 1
Ökophysiologie
Biochemische und zellphysiologische Aspekteder Anpassung an Standortfaktoren
Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,Teil Ökophysiologie, Symbiose
Thomas Boller
Botanisches Institut der Universität Basel
Hebelstrasse 1, 4056 Basel
Gesamttitel
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 2
3. Ionenklima:Nährstoffmangel, Salzstress
Skript – p. 14
Titel Ionenklima
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 3
Essentielle NährstoffeOxidierende Bedingungen: Im Boden NO3
-,muss assimiliert werden!
Im Boden SO42-:
muss assimiliert werden!Phosphat kaum löslich: Problem Verfügbarkeit!
Oxidierende Bedingungen: Fe3+, Mn4+ kaum löslich: Problem Verfügbarkeit!
Reduzierende Bedingungen: Fe2+, Mn2+ leicht löslich: Problem Bodentoxine!
Essentielle Nährstoffe
Skript – p. 15
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 4
Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze
Rang 1: Si (Silizium)nicht essentiell (?)Rang 2: Al (Aluminium)nicht essentiell, eher toxischRang 3: Fe (Eisen)essentiell, oft limitierend (!!!)
Mineralstoffe im Boden und in der Pflanze
Skript – p. 15
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 5
Nährstoff-Angebot und Bedarf
Vorrat ausreichend:Problem = Verfügbarkeit
Problem = Absoluter Mangel
Skript – p. 15
Nährstoff-Angebot und Bedarf
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 6
Verfügbarkeit von Stickstoff für die Pflanze
1 m = 10 dm1 m = 10 dm
0.3 m = 3 dm
Typische Biomasse-Produktion pro m2 pro y:
N-Gehalt = ca 20 g /kg TS
>> Typischer N-Bedarfpro m2 pro y:
Vorrat im Boden pro L (>99% organisches N):
N-Vorrat pro m2:
Verfügbar als mineral. N (NH4
+ oder NO3-) pro L:
N verfügbar pro m2:
1000 gAgronomisch:10 t pro ha
20 g
1 g
300 g
Bodenvolumen pro m2: ca. 300 L0.001 g
0.3 g
Reicht für 3 Tage!!Entscheidend: Mineralisation aus organischem N!!
Reicht für 15 Jahre!!
1 m2 Boden
Verfügbarkeit von Stickstoff
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 7
Verfügbarkeit von Phosphor für die Pflanze
1 m = 10 dm1 m = 10 dm
0.3 m = 3 dm
Typische Biomasse-Produktion pro m2 pro y:
P-Gehalt = ca 2 g /kg TS
>> Typischer P-Bedarfpro m2 pro y:
Vorrat im Boden pro L:
P-Vorrat pro m2:
Verfügbar als Phosphat in der Bodenlösung pro L:
P verfügbar pro m2:
1000 g
2 g
0.7 g
210 g
Bodenvolumen pro m2: ca. 300 L0.00001 g
0.003 g
Reicht für 8 Stunden!!Entscheidend: Mobilisation von Phosphat aus Mineralien
Reicht für 105 Jahre!!
Agronomisch:10 t pro ha1 m2 Boden
Verfügbarkeit von Phosphor
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 8
Mineralstoff-Angebot und Pflanzen-ErtragMineralstoffe im Boden und in der Pflanze
Mineralstoff-Angebot (g pro L Bodenlösung)
Ertr
ag (k
g pr
o m
2 )
0
0.5
1.0
0 0.05 0.10
Makro-Nährstoff (z.B. N, P, K)
Toxisches Element (z.B. Cd, As, Co)
Mikro-Nährstoff (z.B. Cu, Fe, Mn)
Skript – p. 15
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 9
Transport vom Boden zur Pflanze
Symplastischer Weg
Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten
Kontrollierte Abgabe ins Xylem
Kontrollierte Aufnahme in den Symplasten
Kontrollierte Abgabe ins Xylem
Apoplastischer Weg
Der Caspary-Streifen blockiert den apoplastischen Weg und erzwingt den symplastischen Weg!
Apoplastischer Xylem-Fluss
Transport vom Boden zur Pflanze 1
Skript – p. 16
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 10
Transport vom Boden zur Pflanze Vorrat ausreichend - Problem = Verfügbarkeit
Lösungsmöglichkeit:
Mobilisierung von Nährstoffen
Wurzel-Exudate
Transport vom Boden zur Pflanze 2
Skript – p. 16
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 11
Ausscheidung von H+ bei Eisenmangel
Auscheidung von Säure, nachgewiesen mit Farb-Indikator (Bromkresolpurpur)
Ausscheidung Protonen / Eisenmangel
Skript – p. 16
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 12
Beispiele für die Nährstoff-Mobilisierung
Auscheidung von Säuren
Auscheidung von Chelat-Bildnern:Phytosiderophoren
Beispiele Nährstoff-Mobilisierung
Skript – p. 16
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 13
Biphasische Kinetik des Nährstofftransports
Hochaffines Transportsystem:Km = 0.03 mM
Vmax
Vmax/2
Vmax
Vmax/2
Niedrigaffines Transportsystem:Km = 10 mM
Biphasischer Nährstofftransport
Skript – p. 16
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 14
Problem der Verfügbarkeit von IonenSaure Böden Basische Böden
Problem Verfügbarkeit von Ionen 1
Skript – p. 17
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 15
Problem der Verfügbarkeit von IonenProblem Verfügbarkeit von Ionen 2
Skript – p. 17
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 16
Kalk- und Silikatpflanzen
Bewimperte Alpenrose, Rhododendron hirsutum
Kalkzeiger
Rostblättrige Alpenrose, Rhododendron ferrugineum
Säurezeiger
Alpenrosen / Kalk- und Silikat
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 17
Kalk- und Silikatpflanzen
Clusius' EnzianGentiana clusii
Kalkzeiger
Koch'scher EnzianGentiana acaulis
Säurezeiger
Enziane / Kalk- und Silikat
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 18
Kalk- und Silikatpflanzen
AlpensoldanelleSoldanella alpina
Kalkzeiger
Zwerg-SoldanelleSoldanella pusilla
Säurezeiger
Enziane / Kalk- und Silikat
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 19
Kalk- und Silikatpflanzen
Weisse AlpenanemonePulsatilla alpina
Kalkzeiger
Schwefel-AnemonePulsatilla apiifolia
Säurezeiger
Anemonen / Kalk- und Silikat
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 20
Depletionszone bei der Phosphataufnahme
Wurzel-Querschnitt
Wurzelhaar-Bereich:Ausdehnung der Depletionszone
Mit Mykorrhiza:Weitere Ausdehnung der Depletionszone
Depletionszone
Skript – p. 17
Ohne Wurzelhaare:Ausnützung von P nur ca. 0.5 mm um Wurzel herum!
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 21
Symbiontische Stickstoff-FixationSymbiontische Stickstoff-Fixation 1
Skript – p. 18
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 22
Symbiontische Stickstoff-Fixation
Aufnahme von Dicarbonsäuren(z.B. Succinat, Malat)
Sauerstoff-Zufuhr und Sauerstoff-Schutz!
Nitrogenase
Abgabe von reduziertem N
Symbiontische Stickstoff-Fixation 2
Skript – p. 19
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 23
Bedeutung der Mykorrhiza
Ohne Mykorrhiza: schlechterer Start
Ohne Mykorrhiza: frühere Wachstumsreduktion
Bedeutung der Mykorrhiza
Skript – p. 18
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 24
Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung
Bei hohem Phosphatangebot ist Mykorrhiza negativ
Optimaler Bereich der Förderung
Mykorrhizierung und Phosphat-Düngung
Skript – p. 19
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 25
Mykorrhizierung und PhosphataufnahmeMykorrhizierung und Phosphat-Aufnahme
Skript – p. 18
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 26
Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen
Im Boden: Bereich von erhöhtem Nitrat Angebot (1 mM)
Fragen:
Perzeption
Transduktion
Response
Wahrnehmung der Nitrat-Gefälles
Meldung an Meristeme
Vermehrte Seitenwurzel Bildung
Wurzelwachstum und ungleiche Ressourcen
Skript – p. 19
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 27
Salzstress: Glykophyten und Halophyten
Beispiel: Suaeda maritima
Halophyt:wächst bei Versalzung besser!
ToleranterGlykophyt
Beispiel:Zuckerrübe
SensitiveGlykophyten
Beispiele:Baumwolle, Bohne
Salzstress: Glykophyten und Halophyten
Skript – p. 20
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 28
Suaeda maritima (Strand-Sode)Suaeda maritima
Bild aus dem Internet
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 29
Suaeda maritima (Strand-Sode)Suaeda maritima
Bild aus dem Internet
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 30
Anpassungen an Salzstress"Avoidance": inneres Milieu bleibt salzfrei
"Tolerance": Salz wird aufgenommen
Problem: WassermangelProblem: Ionentoxizität
Anpassungen an Salzstress
Skript – p. 20
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 31
Anpassung an Salzstress: Wasserpotential
- 0.5 bar
- 1.0 bar
- 1.5 bar
- 5.0
- 5.5 bar
- 6.0 bar
Pro memoria:
1 M osmotisch aktive Stoffe =
1 osM = 22.4 bar
20 + 2x100 = 220 mosM = 5 bar
Falls das Blatt kein Salz enthalten darf, braucht es andere Osmotika!
Wasserpotential-Situation bei Salzstress
Skript – p. 21
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 32
"Kompatible" Osmotika"Kompatible" Osmotika
Skript – p. 21
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 33
Bedeutung von kompatiblen OsmotikaAnalyse von cytoplasmatischen Enzymen eines Halophyten
mit NaCl mit NaCl
mit Prolin mit Prolin
Schlussfolgerung:
Auch Halophyten brauchen im Cytoplasma kompatible Osmotika
Bedeutung von kompatiblen Osmotika
Skript – p. 21
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 34
SalzdrüsenSalzdrüsen
Skript – p. 22
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 35
Tamariske mit SalzdrüsenTamariske: Salzdrüsen
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 36
Atriplex halimus mit BlasenhaarenAtriplex: Habitus
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 37
REM-Aufnahme von BlasenhaarenAtriplex: Blasenhaare
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 38
Ionenstress: Toxizität von IonenIonenstress: Toxizität von Ionen
Skript – p. 22
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 39 Skript – p. 23
PhytochelatinePhytochelatine
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 40 Skript – p. 23
Vorläufer der Phytochelatine: Glutathion
Glycin
Cystein
Glutamin-säure
Glutathion
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 41
MetallophytenMetallophyten
Skript – p. 24
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 42
Beispiele von Metallophyten
Viola calaminare (Violaceae) und Thlaspi calaminare (Brassicaceae), zwei "Galmei-Pflanzen" in Deutschland
Viola calaminare, Thlaspi calaminare (Zink-Hyperakkumulatoren)
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 43
Beispiele von Metallophyten
Minuartia verna (Caryophyllaceae), Blei-Hyperakkumulator in Rumänien
Minuartia verna (Blei-Hyperakkumulator)
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 44
Beispiele von Metallophyten
Jasione montana (Campanulaceae) auf Arsen-Böden in England
Jasione montana (Arsen-Hyperakkumulator)
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 45
Beispiele von Metallophyten
Psychotria douarrei (Rubiaceae) auf Nickel-Böden in Neukaledonien
Jasione montana / Arsen
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 46
Beispiele von Metallophyten
Pearsonia metallifera (Fabaceae), Chrom-Hyperakkumulator in Zimbabwe
Pearsonia metallifera (Chrom-Hyperakkumulator)
nicht im Skript
Vorlesung, 17. Okt. 2012 - 47
Beispiele von Metallophyten
Astragalus racemosus (Fabaceae), Selen-Akkumulator in den U.S.A.
Astragalus racemosus (Selen-Hyperakkumulator)
nicht im Skript
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