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Organisatorisches
Passwort für Folienzugang: PFPH1112
Klausurtermin: 3. Februar 2012
Praktikum: das Praktikum Pflanzenphysiologie wird zu Beginn des Sommersemesters stattfinden
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Zur Klausur Allg. Pflanzenwissenschaften II
Durchschnittsnote: 3,8
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10.0
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Proz
ent
Frage
Bekannte Frage Neue Frage
Termin Wiederholungsklausur: 2. Dezember 2011
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Zur Klausur Allg. Pflanzenwissenschaften II
Wiederholungsklausur ist am 9. Dezember
Gibt es Interesse an einem Vorbereitungstermin?
Zum Beispiel nach einer Vorlesung am Freitag?
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Pflanzenphysiologie
Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebene die Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)
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Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebene die Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)
Pflanzenphysiologie
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Wir haben eine ganze Reihe von pflanzlichenLebensvorgängen u. Lebensäußerungen bereits kennengelernt:
Pflanzenphysiologie
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Spross-scheitel
Knoten
Blüten-blätter
Spross-scheiteldes SeitenzweigsSeiten-zweig
Inter-nodium
Wurzel mitSeitenwurzeln
Blattlamina
Blattstiel
Achselknospe
Entwicklung
Die Ausbildung von Organen und Geweben
10Scale model of the polysaccharides in an Arabidopsis leaf cell (Somerville et al. (2004))
Aufbau komplexer und doch dynamischer Polymere
Die Struktur von Zellwänden ist sehr komplex und außerdem variabel.
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AronstAronstääbe machen heftigen Gebrauch von der be machen heftigen Gebrauch von der alternativen alternativen OxidaseOxidase zur zur Thermogenese.
Arum maculatumDie Temperatur kann bis zu 25 °C höher liegen als die Umgebungstemperatur!
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Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebenedie Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)
Pflanzenphysiologie
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Arabidopsis thaliana-Embryo: Die Zell-Abstammung ist durch verschiedene Farben angezeigt.
Grün: Sprossmeristem und Keimblätter, Gelb: Hypocotyl,Rot: Keimlingswurzel, Blau: Wurzelmeristem und Wurzelhaube.
Taiz/Zeiger, Plant Physiology
Embryogenese: wie werden Zelldifferenzierung und Cytokinese gesteuert?
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
Einige Leitfragen
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Blütenentwicklung ist ein gutes Beispiel für einen Entwicklungsschalter.
Reproduktive Entwicklung findet in Pflanzen aus vegetativen Zellen statt. Dies ist ein fundamentaler Unterschied zu Tieren.
Meristeme bringen erst Sekundärsprosse hervor. Dann, mit der Blütenentwicklung, treten sie in eine terminale Phase ein. Die Meristeme werden umprogrammiert.
Genaue Kontrolle gerade bei einjährigen Pflanzen wichtig: es gibt nur eine Chance auf reproduktiven Erfolg.
Blühinduktion
botanik.uni-karlsruhe.de
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
Einige Leitfragen
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Verdunstungsschutz: Synthese von Wachs
Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants
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Verdunstungsschutz: Synthese von Wachs
Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants
Die Pflanze reagiert: Regulation der Biosynthese, Bsp. Brassica oleracea
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Gasaustausch: Regulation Schließzellen
Buchanan, Gruissem, Jones, Molecular Biology & Biochemistry of Plants
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
Einige Leitfragen
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Saccharose
Triosephosphate
Hexosephosphate
Pyruvat
Citrat-Zyklus
OxidativerPentose-phosphat-Weg
Acetyl-CoA
Citrat
α-Ketoglutarat
Oxalacetat
Cellulose
Dihydroxy-aceton-phosphat
Glycerin-3-phosphat
Fettsäuren
Lipide
Glutamat
SteroleCarotinoide
Pentose-phosphat
Erythrose-4-phosphat
Nukleotide
Nukleinsäuren ATP, NADHFAD
Phosphoenolpyruvat Shikimat
Aromatische Aminosäuren
Lignin
Andere Aminosäuren
ChlorophyllCytochrome
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?
Einige Leitfragen
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Ca. 80 % aller Pflanzen leben in einer Symbiose mit Pilzen
Mycorrhiza
Wie finden sich die Symbiosepartner?Wie tauschen sie Stoffe aus?Wie werden die Stoffflüsse reguliert?
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?
6. Wodurch erhalten pflanzliche Bewegungen ihre Richtung?
Einige Leitfragen
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Phototropismus
Phototropismus Sonnenblumen-Keimlingehttp://plantsinmotion.bio.indiana.edu/plantmotion/movements/tropism/tropisms.html
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?
6. Wodurch erhalten pflanzliche Bewegungen ihre Richtung?
7. Warum synthetisieren Pflanzen so viele verschiedene Verbindungen?
Einige Leitfragen
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?
6. Wodurch erhalten pflanzliche Bewegungen ihre Richtung?
7. Warum synthetisieren Pflanzen so viele verschiedene Verbindungen?
8. Wie wird Sonnenenergie in Biomasse umgewandelt?
Einige Leitfragen
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1. Wie werden Wachstum und Entwicklung gesteuert?
2. Wie reagiert die pflanzliche Entwicklung auf Umweltfaktoren?
3. Wie stellt sich eine Pflanze auf wechselnde Umweltbedingungen ein?
4. Auf welchen Wegen bauen Pflanzen alle benötigten organischen Moleküle auf?
5. Wie interagieren Pflanzen mit anderen Organismen?
6. Wodurch erhalten pflanzliche Bewegungen ihre Richtung?
7. Warum synthetisieren Pflanzen so viele verschiedene Verbindungen?
8. Wie wird Sonnenenergie in Biomasse umgewandelt?
9. Welche Mechanismen erlauben Pflanzen die Anpassung an unterschiedliche Habitate?
Einige Leitfragen
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Die Entstehung von Ökotypen
Im Hochgebirge mit seiner deutlich kürzeren Vegetationsperiode haben kleinwüchsige Pflanzen eine größere Chance sich zu vermehren.
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Pflanzenphysiologie
Physiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit den Lebensvorgängen u. Lebensäußerungen (...) befasst. Ziel ist, möglichst auf molekularer Ebene die Reaktionen und Abläufe von Lebensvorgängen (Stoffwechsel, Bewegung, Keimung, Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung u.a.) bei den Organismen bzw. ihren Zellen, Geweben oder Organen so zu beschreiben, dass (...) Funktionstheorien in generellen Sätzen mit Gesetzescharakter formuliert und somit Prognosen über das Verhalten eines „Systems“ gestellt werden können.(Lexikon der Biologie)
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Übersicht Vorlesung Pflanzenphysiologie
Block 1: Entwicklungsphysiologie
Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung
Block 3: Stoffwechselphysiologie
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Block 1: Entwicklungsphysiologie
Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen
Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht
Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung
Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen
Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion
Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung
Seneszenz, programmierter Zelltod: z.B. Blattfall (Abscission), Xylementstehung
Bewegungen: Tropismen, Nastien
Entwicklungssteuerung durch Hormone
Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode;Temperatur; Circadiane Rhythmik
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Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung
Biotische Interaktionen: Symbiosen, Pathogenabwehr, Allelopathie
Reaktionen auf abiotische Faktoren
Die Stresshormone ABA, JA, Ethylen, (SA)
Die Sinne der Pflanzen: sehen, schmecken, tasten, riechen
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Block 3: Stoffwechselphysiologie
Photosynthese-Vertiefung: Regulation, Anpassung
Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels
Lipidstoffwechsel
Funktionen von Sekundärstoffen
Weitere Biosynthesen
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Block 1: Entwicklungsphysiologie
Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen
Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht
Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung
Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen
Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion
Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung
Seneszenz, programmierter Zelltod: z.B. Blattfall (Abscission), Xylementstehung
Bewegungen: Tropismen, Nastien
Entwicklungssteuerung durch Hormone
Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode;Temperatur; Circadiane Rhythmik
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Block 1:Entwicklungs-physiologie
Der Lebenszyklus einer Pflanze
3 Phasen:EmbryogeneseVegetative EntwicklungReproduktive Entwicklung
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EntwicklungsphysiologieBereits angesprochene Charakteristika der pflanzlichen Entwicklung
1. Unbegrenztes Wachstum von Pflanzen: Pflanzen hören nicht auf zu wachsen. Wachstum ist ein Ersatz für die Bewegung in neue Habitate.
Bristlecone pine
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EntwicklungsphysiologieBereits angesprochene Charakteristika der pflanzlichen Entwicklung
2. Plastizität: die pflanzliche Entwicklung ist stark durch Umweltsignale beeinflusst.
berührt unberührt
Thigmomorphogenese
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Einige pflanzliche Entwicklungsprozesse sind wesentlich genetisch determiniert:
Bsp.: Samenreifung
Plastizität ist jedoch nicht absolut
Bsp.: Blütenmorphologie
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Taiz/Zeiger, Plant Physiology Taiz/Zeiger, Plant Physiology
Andere pflanzliche Entwicklungsprozesse dagegen sind stärker durch Umweltfaktoren determiniert:
Plastizität ist jedoch nicht absolut
Beispiel Photomorphogenese/Skotomorphogenese
Im Dunkeln z.B. kein Ergrünen, kein Entrollen der Blätter, Verlängerung der Coleoptile.
Im Dunkeln z.B. kein Ergrünen, Verlängerung des Hypokotyls, Erhaltung des apikalen Hakens.
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EntwicklungsphysiologieBereits angesprochene Charakteristika der pflanzlichen Entwicklung
3. Totipotenz pflanzlicher Zellen: die Fähigkeit zur Dedifferenzierung
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Die Regenerationsfähigkeit ist eine wichtige Voraussetzung für die Transformation vieler Pflanzen.
Quelle: UC Davis
Aus dem Kallus entwickelt sich schließlich wieder eine Pflanze.
Diese wird von Nährmedium in Erde transferiert und im Gewächshaus weiter kultiviert.
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EntwicklungsphysiologieBereits angesprochene Charakteristika der pflanzlichen Entwicklung
1. Unbegrenztes Wachstum von Pflanzen: Pflanzen hören nicht auf zu wachsen. Wachstum ist ein Ersatz für die Bewegung in neue Habitate.
2. Plastizität: die pflanzliche Entwicklung ist stark durch Umweltsignale beeinflusst.
3. Totipotenz pflanzlicher Zellen: die Fähigkeit zur Dedifferenzierung
4. Neue Organe werden während der gesamten Entwicklung gebildet, alte Organe können ersetzt werden.
Pflanzen behalten aktive Stammzellen.
Die pflanzliche Entwicklung ist in all diesen Charakteristika fundamental verschieden von tierischer Entwicklung.
Diese Unterschiede sind eine Konsequenz von Lebensweise (sessil) und evolutionärer Geschichte.
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Der letzte gemeinsame Vorfahre von Tieren und Pflanzen war höchstwahrscheinlich einzellig.
Published by AAAS
E. M. Meyerowitz Science 295, 1482 -1485 (2002)
Die ältesten multizellulären Fossilien sind etwa 600 Mio. Jahre alt.
Die Trennung der pflanzlichen und tierischen Entwicklungslinien passierte zwischen dem 1. endosymbiontischen Ereignis (Mitochondrien) und dem 2. endosymbiontischen Ereignis (Plastiden).
Pflanzen und Tiere haben Entwicklung unabhängig voneinander evolviert.
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Der Lebenszyklus einer Pflanze
3 Phasen:EmbryogeneseVegetative EntwicklungReproduktive Entwicklung
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Vegetative Entwicklung: Samenruhe
1. Biochemische Samenruhe
2. Physikalische/mechanische Samenruhe
3. Erforderliche Nachreifung des Embryos
Abbau der Samenschale durch Mikroorganismen und/oder Passage durch einen Verdauungstrakt
Abbau und/oder Ausspülen von Hemmstoffen ist erforderlich; bei heimischen Obstarten z.B. Amygdalin
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 18.26
Im Samen von Orchideen können sich die Embryos erst nach Etablierung einer Mycorrhiza fertig entwickeln.
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Vegetative Entwicklung: Keimung
Strasburger, Lehrbuch der Botanik
Die Keimung ist ein extrem kritischer Moment im Leben einer Pflanze: der Schutz der Samenschale wird aufgegeben. Ein junger Keimling ist anfällig gegenüber Pathogenen, ungünstigen Umweltbedingungen etc. Deshalb ist das richtige Timing entscheidend.
Häufig müssen bestimmte Umweltbedingungen vorliegen. Wichtiges Beispiel: Stratifikation, d.h. das Einwirken tiefer Temperaturen.
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Dormanz ist ein generell weit verbreitetes Phänomen bei Pflanzen der gemäßigten nördlichen Klimazonen.
Vegetative Entwicklung: Keimung
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Kontrolle der Keimung
Informationen für den ruhenden Samen über aktuelle Bedingungen und Bedingungen der nahen Zukunft:
Licht
Umweltfaktor
Temperaturwechsel
Regenereignis
Rauch
Nitrat
Jahreszeit/jahreszeitliche Temperaturveränderung
Ökologische Bedeutung
1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Bodentiefe1. Anzeigen von Vegetationslücken2. BodentiefeWasserverfügbarkeit
Feuer, Fehlen von Konkurrenz
Detektion der richtigen Saison
1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Nährstoffverfügbarkeit
Nach: Lambers, Plant Physiological Ecology
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Kontrolle der Keimung
Informationen für den ruhenden Samen über aktuelle Bedingungen und Bedingungen der nahen Zukunft:
Licht
Umweltfaktor
Temperaturwechsel
Regenereignis
Rauch
Nitrat
Jahreszeit/jahreszeitliche Temperaturveränderung
Ökologische Bedeutung
1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Bodentiefe1. Anzeigen von Vegetationslücken2. BodentiefeWasserverfügbarkeit
Feuer, Fehlen von Konkurrenz
Detektion der richtigen Saison
1. Anzeigen von Vegetationslücken2. Nährstoffverfügbarkeit
Nach: Lambers, Plant Physiological Ecology
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Vegetative Entwicklung: Keimung
Häufig müssen bestimmte Umweltbedingungen vorliegen. Weiteres Beispiel: Feuer
„Feuer-Lacton“
Science 2004:A Compound from Smoke That Promotes SeedGerminationGavin R. Flematti, Emilio L. Ghisalberti, Kingsley W. Dixon, Robert D. Trengove
Aus Cellulose-Rauch ist vor einigen Jahren eine Verbindung isoliert worden, die auf viele Samen keimungsauslösend wirkt.
Arctostaphylos viscida aus dem kalifornischen Chaparral
Die Samen vieler Pflanzen vor allem in trockenen Gebieten keimen erst nach einem Feuer.
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Ablauf der Keimung
Keimung verläuft in unterscheidbaren Phasen:1. Phase der Wasseraufnahme: Wiederherstellung der Proteinbiosynthese, DNA-Reparatur2. Phase der Wasseraufnahme (hier Phase III): Mobilisierung der Reservestoffe, Wachstum des Keimlings
Am wichtigsten sind die Verfügbarkeit von Wasser und O2.
(extant mRNAs: noch vorhandene mRNAs)