1

von der Zygote

Entwicklungsphysiologieder Pflanzen

Morphogenesedurch Wachstum und Differenzierung

Entwicklungsprogrammegesteuert von innerenund äußeren Faktoren

(wie Hormone, Strahlung)

zum

vollständig ausdifferenzierten Organismus

Äußerer Faktor Lichtbei Wachstum im Dunkeln (gegenüber im Licht)

resultiert eine veränderte Morphologie

Skotomorphogenese(Entwicklung im Dunkeln)

Photomorphogenese

(im Licht)

ErdeKnolle Knolle

gestreckte

Sprossachse

und nicht entwickelte,

bleiche Blätter

gestauchte

Sprossachse

undvoll entwickelte,

grüne Blätter

„Vergeilung“

Molekulare Grundlagen der Licht-Perzeption:Phytochrom

(Chromoprotein)

a) Phytochrom Chromophor

b) Phytochrom Apoprotein

c) Absorptionsspektren der Pr- und Pfr-Formen

d) Phytrochrom Aktivitäten

Wachstum & Entwicklung

(verschiedene Antworten)

Pigment-Bildung,

Schattenvermeidung,

Photoperiodik, etc.

Chromophor

Pr Pfr

Samenkeimung

Pr-Form

Pfr-Form

cis/trans-

Isomerisierung

der

Doppelbindung

Das Phytochrom-Systemals Beispiel eines

molekularen Schaltmechanismus in Pflanzen (Lichtperzeption)

Pfr730

langsame

Rückbildung im Dunkeln

Abbau

dunkelrotes

Licht

Pr660

weisses

oder

hellrotes

Licht

Cytosol

Entwicklungs-programme

NukleusChromatin

Kernpore

Kern

Genaktivierung via PhytochromEin gutes Beispiel für eine Interaktion von parallel laufenden Signalwegen

Pfr-Form

G-Proteine

Anthocyan-Biosynthese

Chloroplasten-entwicklung

Ca2+

CaM

aktiviert Klasse I-

Gene

cGMP

aktivieren Klasse II-

Gene

konvergierende

Signalwege

Cytosol

Nucleus

Licht und Stress

PlasmolyseRhoeo discolor

Epidermis

Pflanzen, die Trockenstress aus-gesetzt

sind (hier Arabidopsis), zeigen

Verfärbungen ihrer Blätter aufgrund

Anthocyan-Produktion (dunkelrote

Schirm-Pigmente) ⇒ Schutz des

Photosynthese-Apparates

Figure 11photobiology.info

Bild: MPG.de

PAR = photosynthetically

acitve radiation

2

Faktor Entwicklung

Botenstoffe binden an Membran-Rezeptoren,

die das Signal im Cytosol weiterleiten

(z.B. Arabisopsis Ethylen-Rezeptor ETR1)

Ligand-Rezeptor-Komplex

Ethylen

H2C=CH2

IntrazelluläreAntworten

Promotor Gen

Signal-Kaskaden

Leiten äußere Reize intrazellulär weiter

(und integrieren endogen verschiedene Signale

über eine Anpassung der Gen-Expression)

Signal 1 Signal 2 Signal 3

MAPKKK

MAPKK

MAPK

TF1

TF1

MAPKKK

MAPKK

MAPK

MAPKTF2

Ca2+/CaM-

abhängige

Protein-Kinase

TF3

TF2

TF3

TF3

„aussen“

„innen“

RNA-Pol

Signal 4

ROS

Redox switch (S-S → 2-SH)

TF4

TF4-TF4

Multimere

(Reservoir

im Cytosol)

Fakten der Gen-Expression

Zentrales Dogma der Molekularbiologie:

DNA RNA Protein

RNA-Pol II

Start der Transkription

Zellkern

verschiedene Transkriptionsfaktoren

binden im 5‘-Bereich von Promotoren

Mediator-KomplexHiston-DNA-

Komplexe

Reverse Transkription

Regulationsebenen der Gen-Expression

ZellkernChromatin

Zugänglichkeit der Gene

primäres Transkript

mRNA im Zellkern

mRNA im Cytoplasma

Polypeptidkette

funktionelles Protein

(in)aktives Protein

Signal-Kaskade

Entspiralisierung der DNA,

De-/Methylierung, Gen-Rearrangement

Transkription (mRNA-Kopie)

mRNA-Prozessierung

mRNA-Export

mRNA Zugänglichkeit, Translation,

(Abbau, Modifikation)

co-/post-translationaler Transport,

Faltung, Aktivierung, Modifikation

Transport, Abbau

Verändert nachach: Campbell „Biologie“ (Spektrum-Lehrbuch, 1997)

AAAAAAA

E + S -> [ES] -> P + E

AAAAAAA

NH2

Cycloheximid (CHX) Block

Cytosol

Phytohormon-Klassen

Endogene SignalmoleküleHormone steuern Wachstum & Entwicklung

(d.h. Zellteilung und Zellstreckung, die zeitlich und räumlich geordnet ablaufen müssen)

Zellteilung Zellstreckung

AuxineBrassinosteroideCytokinine wirken i.d.R. fördernd

Gibberelline

Abscisinsäure wirken i.d.R. hemmend

Ethylen (C2H4 = Gas)Jasmonsäure (flüchtig als Methylester)Salicylsäure (dito)

MERKE: Hormone wirken in äußerst geringen Konzentrationen!

Auxine – fördern das Streckungswachstum

Indol-3-Essigsäure (IAA)NH

CH2 — COOH

IAA ein „natürliches “ Auxin

2,4-Di-chloro-phenoxy-Essigsäure (2,4-D = Herbizid)

O — CH2 — COOH

ClCl

2,4-D ein „künstliches“ Auxin

Zellstreckung

3

Modell des polaren

Auxin-Transports(Spross → Wurzel) in Parenchym-Strängen

der Rinde

Zellwand

Cytosol

pH = 5

pH = 7

IAAH

IAA– + H+

IAAH

IAA– + H+

bei IAA-Stau

⇒ Auxin-Antworten

Influx-“Carrier“(der AUX-Klasse)

in apikaler PM

Efflux-“Carrier“(der PIN-Klasse)

in basaler PM

basipetaler

Auxin-Strom:

V = 2-15 mm/h

basipetaler

Auxin-Strom:

V = 2-15 mm/h

IAA-Synthese im Spross (Apikalmeristem)

IAAH IAA– + H+

ATP-abhängige

Beladung (via

P-Proteine)

IAAH

IAA– + H+

Regulation:

a) Hemmung z.B. durch Flavonoide (Quercetin

oder Kaempferol)

b) Endozytose z.B. Um-

verteilung der Carrier

(Signal-vermittelt)

Einfluss auf die IAA-Wirkung

Biosynthese (auch aus Trp)

Kompartimentierung(Vakuole?)

Konjugation(z.B. mit Inositol, als Speicher, oder mit

Aspartat ⇒ Abbau)

Transport(bidirektional im Phloem, polar in Meristemen und

Parenchymsträngen)

Biodegradation(Oxidation, Abbau)

“steady state“IAA-Konzentration

Auxin und die Säure-Wachstumstheorie

Zell-wand

Kern

IAA

Cytosol

LockerungWachstum

ATP

H+ H+

H+

Signalkaskade

„schnelle“ (bis 20 min)

IAA-Antworten

„langsame“ (mehrere Std.)

IAA-Antworten

Genaktivierung

Neusynthese

ER

Golgi

IAA

Indol-Essigsäure (IAA)Wird im Cytosol und in Plastiden gebildet und kann aus Konjugaten oder der aromatischen Aminosäure

Tryptophan (Trp) freigesetzt werden

NH

CH2 — CH — COOH

NH2

NH

CH2 — CH2 — NH2

CO2

½ O2

NH3

NH

CH2 — CH — COOH

O

CO2

NH

CH2 — C — H

O

½ O2

Indol-3-Acetaldehyd

IAA

Tryptamin Indol-3-Pyruvat

Trp

NH3

½ O2 Decarboxylierung

Transaminierung

Oxidation

IAA inversch.Konz.

Biotest: Koleoptilen-Streckung

Auxin kann die Spross-Spitze ersetzen

IAA-Optimumskurve

Kontrolle(in H2O, ohneexogenes IAA)

Wachstums-förderung

10–7 10–6

(µM)10–5 10–4 10–3

(mM)

IAA-Konzentration

10–8 10–2 M

Re

lati

ves

Wac

hst

um

(m

m)

Stängelsegmente Maximum

Optimum

5 mm

Hemmung(via Ethylen-Produktion)

IAA

Versuch 1 - Auxin-Biotest

Material & Werkzeuge

Schneideapparate

mit Rasierklingen

15 Koleoptil-Segmente in je 10 ml Lösung ÜN im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubieren (Wandschrank)

Etiolierte

Koleoptilen

Inkubation

in versch.

[IAA]5 mm

Gras-Koleoptilen

1 Woche im

Dunkeln

Aus der 10 mM IAA-Stammlösung seriell 1:10-Verdünnungen herstellen!

10-2 IAA (= 10 mM

Stamm-

Lösung)

Null =

Wasser-

KontrolleVerdünnungsreihe

Optimum

4,642857143

0

1

2

3

4

5

6

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2

WiederholungIAA-Reihe

Referenz

1 µM 0,1 mM 1 mM0,1 µM 10 mM (IAA-Verdünnung)10 nM

Ne

tto

Län

gen

wa

chst

um

(mm

±SE

)

exogene IAA

endogenes Auxin (Null-Kontrolle)

Hafer Koleoptil-Segmente (n = 10-15)

∆= 3.4 mm

Netto-Wachstum verzeichnen!

5 mm ⇒

10 µM

Auswertung

Kurvenabfall statistisch absichern!

Schneideapparat mit Rasierklingen

4

Gibberelline fördern das Längenwachstum

aktive Gibberellinsäure

GA3

Isopren-Derivate = Diterpene (C19-

C20)

OHHO

COOH

CH2

O

C=O

CH3

Entdeckt als sekretierter Wirkstoff des Pilzes Gibberella Fujikuroi,

(krankhaftes Streckungswachstum infizierter Reis-Keimlinge)

Erbse

GA fördert die

Internodien-Streckung

Reis (nach 3 Tagen)

Kontrolle 0,1 ng 1 ng GA3

Kontrolle 5 µg GA3

Synthese in Blättern und Wurzeln,

sichtbar gemacht durch GA1-Promotor::GUS-Fusion (Blaufärbung!)

GA-SyntheseArabidopsis thal.

(transgene Linie)

Fig. 9. Model showing how H2O2, NO, ABA, and GA regulate seed dormancy and germination.

Seed imbibition leads to increases in H2O2 and nitric oxide (NO). H2O2 up-regulates ABA

catabolism through NO, and also GA biosynthesis. A high concentration of ABA also inhibits

GA biosynthesis, but a balance of these two hormones jointly controls the dormancy and

germination of Arabidopsis seeds.

From: Yinggao et al.(2010) H2O2 mediates the regulation of ABA catabolism and GA bio-

synthesis in Arabidopsis seed dormancy and germination. J. Exp. Bot. 61: 2979-2990.

Signalgeschehenbeim Brechen der Keimruhe = Dormancy

(Arabidopsis-Samen)

Plant growth

GA3ABA

H2O

H2O

Aleuron-schicht

Samenschale

Scutellum

Stärke-haltiges

Endosperm

Embryo

Versuch 2 - Stärke-Mobilisierung bei der Keimung von Getreidekörnern

GAα-Amylasen

Embryo-haltige Kornhälften Embryo-freie Kornhälften

Nach Inkubation auf folgenden Test-Lösungen (wird gestellt):

Ansatz: 1) Wasser 2) Wasser3) GA34) GA3 + Chx

Wurzel

Spross-

meristem

Zucker

MERKE: Cycloheximid (CHX) inhibiert die Proteinbiosynthese!

Roh-Extrakte (RE)

10 min zentrifugieren

Überstände (ÜS) und Kontrollen in

die ausgestanzten Löcher von zwei

Stärkeagar-Platten pipettieren

(randvoll, d.h. max. 150 - 200 µl)

Am nächsten Tag den Stärkeagar mit

JJK-Lösung (1:4 verdünnt) anfärben

⇒ semi-quantitativer Nachweis der verschiedenen Amylase-Aktivitäten

Inkubierte Kornhälften (-20°C, auftauen lassen) mit

Seesand zerreiben und mit 6 ml Wasser versetzen

(2 x 3 ml)

wässrigen Brei

durch Mull filtrieren & auswringen

bei 30°C ÜN

inkubtieren

H2O

üs

β-Amylase

α-Amylase

H2O7

6

35

2

4

1Kontrollen

Färbung des Stärkeagars

Färbung von StärkekörnernStärke besteht aus unverzweigter Amylose und verzweigtem Amylopektin

Stärke

Stärke kommt nur in Plastiden vor !

In Chloroplasten diurnaler Auf- und Abbau

(Tag/Nacht) an nicht-reduzierenden Enden

(transitorische Stärke); Langzeitspeicher in

Amyloplasten (z.B. in Wurzeln und Knollen)

Amylopektin

verzweigtes Netzwerk

a1→6-Verzweigung

reduzierendesEnde

Amylose

nicht-reduzierendes

Ende (frei)

reduzierendes

Ende

poly-Glucan-Spirale

reduzierendesEnde (innen)

a1→4-Bindung

a1→4-Bindung

Verändert nach: Buchanan, Gruissem, Jones: „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“. (ASPP 2000).

Grenzdextrin

α-Amylase (=Endo-Enzym)

JJK-Färbung = hellviolett

JJK-Färbung = dunkelviolett

β-Amylase (=Exo-Enzym)

Produkt = Maltose (Disaccharid)

Bewegungsphysiologie

Taxien = Reiz-gerichtet, Ortsbewegungen nur bei frei

beweglichen Organismen (z.B. Grünalgen).

Nastien = ungerichtet, „Alles-oder-Nichts“-Antworten, d.h.

reversible Turgor-Bewegungen von Organen mit spezieller

Anatomie (z.B. Schließzellen und Fiederblätter).

Tropismen = Reiz-gerichtete, irreversible

Wachstumsbewegungen von spez. Streckungszonen (in Spross, Wurzel oder Blättern).

5

Spaltöffnungen führen echte

Bewegungen aus(über sogen. Gelenke)

CO2 H2O

H2O

K+

A–

ψ↓

CO2

Zunahme des Turgordrucks⇒ Öffnen

Abnahme desTurgordrucks⇒ Schließen

[ABA]↑

K+

A–

Beispiel für eine NastieBeispiel für eine Nastie

PhototropismusSprosse wachsen positiv,

Wurzeln negativ phototrop.

GravitropismusSprosse wachsen negativ,

Wurzeln positiv gravitrop.

einen Tag

später

unmittelbar nach

dem Querlegen

Licht

Licht

Beispiele für TropismenBeispiele für Tropismen

Phototropismus ist eine „Blaulicht“-vermittelte

Auxin-Antwort (Wirkungsspektrum von 340 – 520 nm)

Tropismen resultieren aus ungleichem Wachstum von

Organflanken (Auxin-Asymmetrie), ausgelöst

durch Reiz-spezifische Signalkaskaden

IAA

einseitige Belichtung wird

durch Flavo (gelb) -Proteine registriert (Cry,

Nph & Phot)

Koleoptilen-Krümmungstestder Reaktion (im Dunkeln)

IAAIAA

α

α

IAA

Die Reiz-Perzeption erfolgt wahrscheinlich durch das Cytoskelett

Gravitropismus – Lageveränderungen werden durch schwere

Zellbestandteile registriert (z.B. Statolithenstärke)

Nach: Nultsch „Allgemeine Botanik“ (Induzierte Bewegungen), Thieme Verlag, 2001.

Nach: Taiz/Zeiger „Plant Physiology“, Benjamin Cummings Publishing Comp., 1991.

IAA

Ca2+

IAA

Stre

cku

ngs

zon

eW

urz

elh

aub

e

Kern

g

schwere

Amyloplasten

Ker

n

ERobere Actin-

Filamenteauf Zug!

Lage-

änderung

Wachstums-

hemmung

IAA

Ca2+

IAA

Statocyte

Cortex

Leitbündelzylinder

Krümmungs-

Winkel

Gerade nach versch. Zeiten

(t = min)

Versuch 3 - Reaktion von Haferkoleoptilen (Avena) auf einen gravitropen Reiz

auf Nadeln

montieren

Kinetik der Krümmung (Winkel gegen die Zeit auftragen)

Video-Dokumentation der Krümmung(im abgedunkelten Raum)

Gerade t = 0 min(Anfangsbild)

Zeit [t = min]

Krü

mm

un

g (°

= G

rad

)

0 30 60 90 (110)

80

60

40

20

90°

1. Alle Kurven einzeln (in

verschiedenen Farben)2. Graph der Mittelwerte

für n ≥ 3, Werte mit Standard-

Abweichung (± SD, standard

deviation) oder Standard-

Fehler (± SE, standard error;

SD geteilt durch Wurzel n)http://1.bp.blogspot.com/-

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