Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und · PDF file• Weiler, E., Nover, L....
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Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
• Graham, L.E., Graham, J.M., Wilcox L.W. 2006. Plant Biology. Pearson Prentice Hall
• Lüttge, U., Kluge, M., Bauer, G.2005. Botanik. Willey-VCH
• Nabors, M.W. 2004. Introductionto Botany. Pearson Education Limited. Mit Internetsupport durch persönlichen Code im Buch.
• Nabors, M.W. 2007. Botanik. Pearson Studium.
• Weiler, E., Nover, L. 2008, 11. Auflage. Allgemeine und molekulareBotanik. Thieme Verlag
• Raven, P.H., Evert, R.F., Eichhorn, S.E. 1999. Biology of plants. Freeman and Company, Worth Publishers.
• Dto. 2006, Biologie der Pflanzen. 4. Auflage. Walter de Gruyter.
• Bresinsky, A., Körner, C., Kadereit, J.W., Neuhaus, G., Sonnewald, U. 2008, 36. Auflage. Strasburger-Lehrbuch der Botanik. Spektrum Akademischer Verlag[Bresinsky, A., Kadereit, J.W. 2001. Systematik Poster: Botanik. SpektrumAkademischer Verlag]
Buchempfehlungen
B.BüdelFunktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten Folie 1
Gliederung der Vorlesung
1. Einführung, Evolution der Zelltypen
2. Die Pflanzenzelle
3. Organismenreiche - Ordnungsprinzipien
4. Vegetative Entwicklungstendenzen
5. Generative Entwicklungstendenzen
6. Pflanzliche Diversität
7. Diversität der Pilze und Flechten
B.Büdel
Skripte zur Vorlesung unter:
http://www.uni-kl.de/FB-Biologie/Botanik/
Unter: Studium & Lehre; weiter: Skripte; wählen: Biologie I - Burkhard Büdel;
Code Eingabe: Vorlesungsnummer 88031, in zweites Kästchen die Nummer des gewünschten
Skriptteils (z.B. 3)
Folie 2Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle
Phanerozoikum• Beginn des Kambriums bis heute• Zeit deutlich erkennbaren Tier- und Pflanzenlebens• Pflanzen und Tiere eroberten das Festland• Farne entwickelten sich, denen die Nacktsamer und schließlich vor etwa
130 bis 90 Millionen Jahren in explosionsartiger Vervielfachung der Sippen die Bedecktsamer folgten.
B.BüdelFolie 3
1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
Planetensystem mit Erde entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Dieser gesamte Zeitraum wird in zwei Großabschnitte unterteilt:
Krypterozoikum (=Präkambrium)• Zeit bis zum Beginn des Kambriums vor etwa 570 Millionen Jahren und
damit etwa 87% der gesamten Erdgeschichte• Bildung der Erdkruste• Evolution des Lebens fand statt, prokaryotische (= kernlose) Organismen,
später dann eukaryotische (= kernhaltige in Reaktionsräume[Kompartimente] unterteilte Zellen) mit Algen und ersten Tieren
• Noch keine Besiedlung des Festlandes
Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle
Press, F.; Siever, R. Allgemeine
Geologie, 3. Aufl. 2003
B.BüdelFolie 4Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
1 Sekunde = 52.000 Jahre1 Minute = 3.125.000 Jahre1 Stunde = 187.500.000 Jahre
Uhr der geologisch-biologischen Evolution
B.BüdelFolie 5Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle; Mikroben steuerten das Klima der frühen Erde
Kasting, J.F. Spektrum der Wissenschaft 9/2004
Sonne zu schwach um frühe Erde warm zu
halten.
Methanogene Mikroben produzierten das
Treibhausgas Methan und hielten so die Erde
warm. CO2 aus Vulkanen.
B.BüdelFolie 6Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle; Mikroben steuerten das Klima der frühen Erde
Kasting, J.F. Spektrum der Wissenschaft 9/2004
Sonne zu schwach um frühe Erde warm zu
halten.
Methanogene Mikroben produzierten das
Treibhausgas Methan und hielten so die Erde
warm. CO2 aus Vulkanen.
Steigende Methankonzentration verstärkt
Treibhauseffekt, Temperatur stieg weiter an.
Warmfeuchtes Klima förderte Gesteinsverwit-
terung, dadurch CO2-Entzug aus Atmospäre.
Die Konzentration beider Gase näherte sich.
B.BüdelFolie 7Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle; Mikroben steuerten das Klima der frühen Erde
Kasting, J.F. Spektrum der Wissenschaft 9/2004
Sonne zu schwach um frühe Erde warm zu
halten.
Methanogene Mikroben produzierten das
Treibhausgas Methan und hielten so die Erde
warm. CO2 aus Vulkanen.
Steigende Methankonzentration verstärkt
Treibhauseffekt, Temperatur stieg weiter an.
Warmfeuchtes Klima förderte Gesteinsverwit-
terung, dadurch CO2-Entzug aus Atmospäre.
Die Konzentration beider Gase näherte sich.
Angeregt durch UV Strahlung begannen Gasmoleküle
sich zu langen Kohlenwasserstoffketten (Paraffine) zu
verbinden.
Diese kondensierten in großer Höhe an Staubteilchen.
Kurzwelliges Licht wurde abgefangen und in den
Weltraum zurückgeworfen.
Das Klima kühlte ab und die Methanproduktion ging
zurück. Der Weg war frei für Organismen mit
gemäßigteren Temperaturansprüchen.
B.BüdelFolie 8Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Zusammenhang Biomasse und Erdoberflächentemperatur (Modell!)
Bounama, C. von Bloh, W. & Franck, S. Spektrum der Wissenschaft 10/2004
B.BüdelFolie 9Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle, 1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
W-Australien,North Pole, 3,5 Milliarden JahreM. White, 1986, The Greening of Gondwana
Zentral-Australien, Amadeus-Basin,Ca. 1 Milliarde Jahre, Cyanobakterium Glenobotrydion aenigmatis, M. White, 1986, The Greening of Gondwana
B.BüdelFolie 10Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle, 1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
Mauretanien, über Dolomit, O.L. Lange
Flach herausgewitterte Schichtender StromatolithenO.L. Lange
B.BüdelFolie 11Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle, 1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
W-Australien, Shark Bay, rezente StromatolithenB.Büdel
Stromatolithen
B.BüdelFolie 12Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle, 1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
Cyanobakterienkolonien
B.Büdel
B.Büdel
Einzelliges Cyanobakterium Entophysalis granulosa
B.BüdelFolie 13Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.1 Eukaryonten und oxygene Photosynthese
• Vor der Entwicklung von Photosystem II war die Atmosphäre völlig sauerstofffrei.
• In dieser Atmosphäre müssen bereits hochentwickelte, ausschließlich anaerobe Prokaryonten existiert haben.
• Vorfahren der Bakterien ein ursprünglicher Prokaryot (Progenot) von einfachem Bau. Möglicherweise ein Archaebakterium.
• Mit der Freisetzung von Sauerstoff durch die oxygene Photosynthese der Cyanobakterien wurde die erste globale Umweltkatastrophe ausgelöst. Kein Enzym war zu dieser Zeit an die Oxidationskraft von Sauerstoff angepaßt. Fast alles bis dahin vorhandene Leben verschwand. Nur wenige Organismengruppe überlebten.
B.Büdel
• Erste Gesteine: ca. 4 Milliarden Jahre
• Erste Stromatolithen und fossile Zellen: 3,6 Milliarden Jahre
• Photosystem II: 2,45 Milliarden Jahre
• Oxidation von Fe2+ zu Fe3+: bis ca. 2 Milliarden Jahre
Folie 14Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1. Einführung, Evolution der Zelle
• Bei einzelligen Organismen gibt es einen sehr viel schwer-wiegenderen Gegensatz als zwischen Tieren und Pflanzen.
• Wir unterscheiden die protocytische und die eucytischeOrganisation. Beide wurden zunächst im Fachgebiet der Botanik behandelt.
• Protocyten besitzen im Gegensatz zu den Eucyten der Pflanzen und Tiere weder Zellkerne noch Mitochondrien oder Plastiden. Die Bakterien besitzen Protocyten.
• Dies bedeutet aber auch, das Pflanzen und Tiere näher verwandt sein müssen als Organismen mit Proto- und Eucyten!
B.Büdel
1.2 Proto- und Eucyte
Folie 15Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.2 Proto- und Eucyte
Raven, Evert & Eichhorn, 1999, Plant Biology
Protocyte eines Cyanobakteriums(Anabaena azollae)
B.BüdelFolie 16Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.2 Proto- und Eucyte
Protocyte eines Cyanobakteriums(Synechocystis sp.)
Transmissions-Elektronenmikros-kopisches Bild
Th = ThylakoidW = Zellwand (Plasmalemma, Pepti-doglucan = Murein, äußere Membran = Lipopolysaccharid)N = Nukleoid
(Kleinig, Meier, 1999, Zellbiologie)
B.BüdelFolie 17Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.2 Proto- und Eucyte
B.Büdel
Glattes endoplasmatisches
Retikulum
Nukleolus
Kernhülle
Kern
Rauhes endoplasmatisches
Retikulum
Ribosomen
GolgiapparatPlasmamembran
Zellwand
Mittellamelle zwischen
den Zellen
Zellwände der
Nachbarzellen
Plasmodesmata
Mitochondrium
Freie Ribosomen
Mittellamelle
Peroxisom
Plastide
(Chloroplast)Vakuole
Interzellularen
Folie 18
Eucyte einer generalisierten Pflanzenzelle(Nabors, M.W. 2004, Introduction to Botany)
Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.2 Proto- und Eucyte
Eucyte einer Pflanze(Spinacia oleracea, Spinat,Fam. Chenopodiaceae)
Transmissions-Elektronenmikros-kopisches Bild
ER = endoplasmatisches RetikulumPm = PlasmamembranPd = PlasmodesmenN = Kern (Nukleus)No = NucleolusM = MitochondrienP = PlastidenV = VakuoleW = Zellwand
(Kleinig, Meier, 1999, Zellbiologie)
B.BüdelFolie 19Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.2 Proto- und Eucyte
Rivera, M.C. & Lake, J.A. 2004, Nature 431
Martin, W. & Embley, T.M. 2004, Nature 431
Neueste Analysen legen die
Vermutung nahe, daß das
Genom der Eukaryonten ein
Resultat aus der Verschmelzung
von zwei unterschiedlichen
prokaryontischen Genomen ist.
Damit wäre dies die älteste
Verbindung zwischen
Prokaryonten und Eukaryonten.
Ein Partner war vermutlich ein
Proteobakterium oder ein
photosynthetisch aktives
Bakterium
Lateraler
Gentransfer
Lateraler Gentransfer führt dazu,
das man nicht wie üblich von
einem „Baum des Lebens“,
sondern von einem „Ring des
Lebens“ sprechen müsste.
B.BüdelFolie 20Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.3 Kompartimentierung der Eucyte
• Zellkern• Plastiden (Chloroplasten)• Mitochondrien• Endoplasmatisches Retikulum (auch als Kernhülle um den Kern),
glattes und rauhes ER• Golgi-Apparat (Dictyosomen)• Plasmamembran• Vakuolen (Membransystem = Tonoplast)• Cytoplasma
B.Büdel
Die Komplexität der Eucyten äußert sich auf strukturellem Niveau vor allem durch die zahlreichen, durch Membranen abgegrenzten Reaktionsräume (= Kompartimente) wie:
Folie 21
Kompartimentierungstheorem nach Schnepf (1965):„Jede Membran trennt eine wässrige Phase von einer plasmatischen Phase“
Plasmatische Phasen sind:• Cytosol und Kernplasma• Mitoplasma der Mitochondrien• Plastoplasma der Chloroplasten
Wässrige Phasen sind:• Vom ER abgegrenzte Räume (Zisternen, Vesikel und Zellvakuolen)
Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.4 Endosymbiontenhypothese
• Die Doppelmembran von Mitochondrien und Chloroplasten. Die äußere Membran entspricht der ursprünglichen Phagocytosemembran. Darüber hinaus Plastiden mit drei und vierschichtiger Hülle (mehrfache Phagocytosen von Organismen mit Plastiden).
• Die Chloroplasten der eukaryotischen Zellen mit ihren Thylakoidenentsprechen weitgehend Cyanobakterienzellen.
• Mitochondrien und Chloroplasten sind selbständig teilungsfähig.
• Mitochondrien und Chloroplasten enthalten ihre eigene DNA.
• Es gibt zahlreiche Beispiel rezenter (= heutiger) Endosymbiosen, bei denen der Symbiont in das Cytoplasma des Wirtes aufgenommen wird.
B.Büdel
A.F.W. Schimper 1883 formulierte erstmals eine Hypothese, welche be-
sagt, das eukaryotische Vorläuferzellen ihre Organellen durch eine Phagocy-
tose (= Aufnahme fester Nahrungspartikel) erworben haben könnten.
Im Jahre 1905 erschien dann die „Symbiogenesetheorie“ der Entstehung
kernhaltiger Zellen des russischen Botanikers
Konstantin Sergeevič Merežkovskij.
Folie 22Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.4 Endosymbiontenhypothese
Linne von Berg, K.H. & Melkonian, M. 2004. Kosmos-Algenführer
B.BüdelFolie 23Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten
1.4 Endosymbiontenhypothese
J.D.Palmer, 2003J. Phycol. 39: 4-11
Aufnahme eines Cyanobakteriums
Aufnahme eines photosynthetischaktiven Eukaryoten (z.B. Rotalge)
B.BüdelFolie 24Funktionelle Organisation der Pflanzen, Pilze und Protisten