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Pflanzenphysiologisches Grundpraktikum Wasserhaushalt

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1. Theoretischer Hintergrund......................................................................................... 2

1.1 Aufbau der Pflanzenzelle ................................................................................................. 2

1.2 Physikalische Prozesse zur Regulation des Wasserhaushalts....................................... 5

1.2.1 Diffusion .................................................................................................................... 5

1.2.2 Osmose ..................................................................................................................... 6

1.2.3 Quellung .................................................................................................................... 6

1.2.4 Plasmolyse................................................................................................................ 7

1.2.5 Potentiale .................................................................................................................. 7

1.3 Biologische Prozesse zur Regulation des Wasserhaushalts........................................ 10

1.3.1 Aufnahme von Wasser / Salzen in das Leitgewebe und anschließender lateraler

Transport .......................................................................................................................... 10

1.3.2 Wurzeldruck und Transpiration als Mechanismen für den Aufstiegstransport ...... 11

1.3.3 Der Abstiegstransport (Assimilatstrom).................................................................. 13

1.4 Pfeffersche Zelle (Osmometer)...................................................................................... 15

2. Material und Methoden............................................................................................. 17

2.1 Versuch1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse ...................... 17

2.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse ... 17

3. Ergebnisse ..................................................................................................................... 18

3.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse ..................... 18


4. Diskussion ...................................................................................................................... 22

4.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse ..................... 22


5. Zusammenfassung..................................................................................................... 24


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1. Theoretischer Hintergrund

1.1 Aufbau der Pflanzenzelle

Die Pflanzenzelle kann zunächst grob in die Bestandteile Zellwand und Protoplast unterteilt

werden. Der Protoplast wiederum setzt sich zusammen aus dem Protoplasma und den

darin eingeschlossenen Vakuolen. Das Protoplasma wird aufgegliedert in Nucleus und

Cytoplasma.

Im Cytoplasma findet man Mitochondrien und Plastide, sowie sämtliche Zellorganellen

und -bestandteile (Ribosomen, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi- Apparat, Mikrotubuli,

Mikrofilamente und Peroxisomen).

Abb.1: Struktur der Pflanzenzelle [aus: Nultsch, Allgemeine Botanik, S. 70, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag]

n = Nucleus l = Lipidtröpfchen

no = Nucleolus kh = Kernhülle

rer = rauhes Endoplasmatisches Reticulum pp = Proplastid

pd = Plasmodesmos m = Mitochondrium

pw = Primärwand v = Vakuole

ml = Mittellamelle r = Ribosom

pl = Plamalemma ger = glattes Endoplasmatisches Reticulum

d = Dityosomen t = Tüpfel

Pflanzliche Zellen verfügen im Unterschied zu tierischen Zellen über drei

Hauptcharakteristika:

- Zellsaftvakuole

- Zellwand

- Plastiden


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Die Vakuole entsteht aus Golgi- Vesikeln oder Erweiterungen des ER und ist mit Zellsaft

gefüllt. Sie dient der Speicherung von Stoffen (Primärstoffe: v.a. Kohlenhydrate und

organische Säuren; Sekundärstoffe: z.B. Glycoside und Alkaloide; Kristalle: Exkrete aus

anorganischen Ionen, wie z.B. Calciumoxalat), dem Abbau von Makromolekülen und der

Regulation des Wasserhaushalts der Pflanze.

In ausgewachsenen Pflanzenzellen nimmt meist eine große Zentralvakuole bis zu 95% des

Zellraums ein und drängt den Protoplasten auf einen dünnen Wandbelag zurück.

Die Vakuole wird gegen den Protoplasten durch eine Membran abgegrenzt, die als

Tonoplast bezeichnet wird.

Die Zellwand liegt außen der Plasmamembran an und dient der Stabilisierung sowie dem

Zusammenhalt der Zelle (Widerstand gegen den Vakuolendruck).

Die Grundsubstanz der pflanzlichen Zellwand ist die Cellulose: aus Cellulosemolekülen

bestehende Mikrofibrillen sind in eine Matrix aus Hemicellulosen, Protopectin und Proteinen

eingebettet.

Die Zellwand der Pflanzen ist charakterisiert durch ihren Schichtaufbau:

- Die Mittellamelle verbindet als Interzellularsubstanz benachbarte Zellen.

- Die Primärwand wird auf beiden Seiten von den Tochterzellen an die Mittellamelle

angelagert; sie ist charakterisiert durch ihre Streuungstextur (lockere, wirre

Anordnung der Mikrofibrillen in der Matrix) und enthält nur wenig Cellulose (5 –

30%). Auf Grund dieser Eigenschaften ist die Primärwand dehnbar und kann sich so

der Größenzunahme einer wachsenden Zelle anpassen.

- Nach Abschluss des Zellwachstums kommt es zur Anlagerung der Sekundärwand

an die Primärwand. Diese Sekundärwand zeichnet sich durch einen hohen

Celluloseanteil und eine Paralleltextur ( parallele Anordnung der Mikrofibrillen) aus.

In die Zellwand können weitere Stoffe ein- oder aufgelagert werden; dadurch entstehen

sekundäre Veränderungen: Verholzung (Einlagerung von Lignin), Mineralisierung

(Einlagerung mineralischer Substanzen) und Verkorkung (Auflagerung suberinhaltiger

Schichten).

Alle photoautotrophen Organismen sind charakterisiert durch den Besitz von Plastiden.

Photoautotrophe Organismen nutzen Licht als Energiequelle und gewinnen den benötigten

Kohlenstoffvorrat durch CO2- Fixierung.

Die einzelnen Plastiden sind unterschiedlich ausgebildete Zellorganellen, die im Cytoplasma

liegen und von einer Doppelmembran umgeben sind.


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- Alle Plastidentypen entstehen aus den Proplastiden der meristematischen Zellen.

Die Proplastiden sind sehr teilungsfähig und stellen eine pigmentlose sowie

veränderliche (undifferenzierte) Vorform der unterschiedlichen Plastidentypen dar.

Unter Lichteinwirkung können aus den Proplastiden Chloroplasten, Leukoplasten

oder Chromoplasten entstehen, während sich bei Lichtmangel Etioplasten entwickeln.

- Die Leukoplasten sind nicht pigmentiert; man findet sie deshalb in Pflanzenteilen,

die keine Photosynthese betreiben, vor allem in der Epidermis und in unterirdischen

Organen. Die Leukoplasten haben oft Speicherfunktion: sie speichern Öl

(Elaioplasten), Proteinkristalle (Proteinoplasten) und Stärke (Amyloplasten).

- Die Etioplasten entwickeln sich unter Lichtmangel aus den Proplastiden oder bereits

gebildeten Chloroplasten. Auf Grund des Lichtmangels enthalten die Etioplasten kein

Chlorophyll a, sondern eine Vorstufe, das sog. Protochlorophyllid. Anstatt der

normalen Thylakoidmembranen bilden sich sog. Prolamellarkörper, in denen die

Bausteine der Thylakoidmembran gespeichert werden. Schon bei geringer Belichtung

wandeln sich die Prolamellarkörper in Thylakoide und die Protochlorophyllide in

Chlorophyll a um.

- Unter Lichteinwirkung entwickeln sich aus Proplastiden oder Etioplasten die

Chloroplasten. Sie sind die Organellen der Photosynthese und vieler anderer

Synthesen (z.B. Fettsäuren, Lipide und Aromaten). Man findet die grün gefärbten

Chloroplasten nur in Pflanzenteilen, die dem Licht ausgesetzt sind. In die farblose

Chloroplastenmatrix, das Stroma, sind die pigmentierten Thylakoide eingelagert: die

Thylakoidmembranen sind die Orte der Lichtreaktionen und enthalten die

Photosynthesepigmente (v.a. Chlorophyll a und b, Carotinoide und Xanthophylle)

Das Stroma ist der Ort der Dunkelreaktion, man findet dort die Enzyme der CO2-

Fixierung. Außerdem liegen im Stroma auch Stärkekörner und Speicherproteine.

- Die Chromoplasten sind durch den Besitz von Carotinoiden und Xanthophyllen gelb,

orange oder rot gefärbt; sie enthalten kein Chlorophyll, das heißt, sie sind

photosynthetisch nicht aktiv. Die Chromoplasten können aus Proplastiden,

Chloroplasten oder Leukoplasten entstehen und kommen vor allem in Blüten und

Früchten vor; ihre Hauptfunktion liegt in der Anlockung von Tieren zur Bestäubung

und Fruchtverbreitung.

- Die Gerontoplasten sind die durch Carotinoide und Xanthophylle gelb, orange oder

rot gefärbten Plastiden des Herbstlaubs; sie entstehen aus den Chloroplasten durch

katabole Alterungsprozesse, also den Abbau von Proteinen, Stärke und

Chlorophyllen.


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1.2 Physikalische Prozesse zur Regulation des Wasserhaushalts

1.2.1 Diffusion

Unter Diffusion versteht man einen Konzentrationsausgleich, bei dem sich die Teilchen eines

gasförmigen oder gelösten Stoffes im gesamten zur Verfügung stehenden Raum auf Grund

der Brown`schen Molekularbewegung ausbreiten. Verschiedene Stoffe mit unterschiedlicher

Konzentration vermischen sich und werden im Raum gleichmäßig verteilt, die Stoffe streben

eine größtmögliche Entropie und somit eine Gleichverteilung an (2. Hauptsatz der

Thermodynamik).

Die Diffusion erfolgt stets vom Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Konzentration, das

bedeutet, die Teilchen wandern immer entlang des Konzentrationsgradienten. Neben der

chemischen Komponente muss man bei der Diffusion auch den Zeitfaktor berücksichtigen:

die Teilchen bewegen sich auf Grund der Brown`schen Molekularbewegung immer weiter,

selbst wenn bereits ein Konzentrationsausgleich stattgefunden hat.

Für die Diffusionsintensität im freien Raum (z.B. Gasmoleküle in Luft oder Zuckermoleküle

in Wasser) gilt das 1. Fick`sche Gesetz:

dxdc

FDdtdn

⋅⋅=

dn/dt = Anzahl von Teilchen, die während des Zeitabschnitts dt durch die senkrecht zur Diffusionsfläche

gedachte Grenzfläche F diffundieren

F = Grenzfläche

D = Diffusionskoeffizient (abhängig von der Größe des Teilchens und vom Diffusionsmedium)

dc/dx = Konzentrationsgradient entlang der Diffusionskoordinate

Abb.2: Diffusionsintensität im freien Raum [aus: Schopfer, Mohr, Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, S. 121, Abb.122a,

3. Auflage, 1978, Springer- Verlag]


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1.2.2 Osmose

Unter Osmose versteht man die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable

Membran. Diese semipermeablen Membranen, die für größere Moleküle eines gelösten

Stoffes undurchlässig und für kleinere Moleküle (wie des Lösungsmittels Wasser)

durchlässig sind, sind bei der Pflanzenzelle das Plasmalemma und der Tonoplast. Die

Membranen haben also hauptsächlich die Funktion, den Stoffaustausch zu regulieren.

Die Richtung der Osmose ergibt sich durch den Unterschied in der Gesamtkonzentration

gelöster Teilchen. Wasser diffundiert von der hypotonischen in die hypertonische Lösung, im

Bestreben, sie zu verdünnen.

Abb.3: Osmose [aus: Campbell, Biologie, S. 162, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum-Verlag]

Die Osmose wird bei der Pflanzenzelle durch den physikalischen Druck der Zellwand

beeinflusst. Der Begriff Wasserpotential (_) fasst die kombinierte Wirkung der beiden

Faktoren Konzentration der gelösten Substanzen und Druck zusammen.

1.2.3 Quellung

Unter Quellung versteht man eine Art der Diffusion, bei der bis zur Sättigung des

Wasserpotentialdefizits durch den Embryo Wasser aufgenommen wird. Während der

Quellung ist im Samen das Wasserpotential erniedrigt; dadurch entsteht ein

Potentialgradient zur Umgebung, das heißt, Wasser dringt in die Zelle ein.

Es handelt sich bei diesem Vorgang um einen rein physikalischen Prozess, an dem der

Stoffwechsel nicht beteiligt ist; so kann die Quellung z.B. auch bei niedrigen Temperaturen

ablaufen.


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Die Samen nehmen schnell Wasser auf (Volumen- und Gewichtszunahme des quellbaren

Körpers durch Einlagerung von Wasser- oder anderen Lösemittelmolekülen) und verbleiben

dann einige Stunden im voll gequollenen Zustand. Nach etwa 12 Stunden setzt schließlich

die Wachstumsphase ein, was an einer erneuten Wasseraufnahme erkennbar ist.

Der Vorgang der Quellung ist reversibel, was bedeutet, dass die Samen auch Wasser

abgeben und so austrocknen können; diese Entquellung spielt z.B. bei der Verbreitung von

Sporen eine entscheidende Rolle.

1.2.4 Plasmolyse

Unter Plasmolyse versteht man die Abnahme der Wanddehnung und die anschließende

Ablösung des Protoplasten von der Zellwand.

Befindet sich die Pflanzenzelle in einer hypertonischen Lösung, verliert der Protoplast durch

Osmose Wasser an die Umgebung und schrumpft, dabei löst er sich von der Zellwand ab;

manchmal bleibt er auch über die sog. Hecht`schen Fäden mit den Plasmodesmen der

Zellwand verbunden.

Die Deplasmolyse stellt das Gegenteil der Plasmolyse dar: Bringt man die plasmolysierte

Zelle in hypotonische Lösung, so diffundiert Wasser in die Vakuole und der Protoplast legt

sich wieder an die Zellwand an. Am stabilsten ist eine vollturgeszente Zelle, von ihr kann

kein Wasser mehr aufgenommen werden.

Unter der Grenzplasmolyse versteht man das Stadium, in dem der Protoplast gerade

anfängt, sich von der Zellwand zu lösen.

1.2.5 Potentiale

Man unterscheidet drei verschiedene Potentiale, die an der Regulation des Stoffaustausches

beteiligt sind: das Wasserpotential, das Matrixpotential und das Druckpotential.

(a) Das Wasserpotential _W

Das Wasserpotential dient zur Bestimmung des Wasserzustands einer Zelle. Dabei ist es

definiert als der Druck, mit dem ein System Wasser an ein Bezugssystem abgibt. Ein

negativer Wert des Drucks gibt an, dass Wasser aus dem Bezugssystem aufgenommen

wird.


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Das Wasserpotential ist durch folgende Gleichung charakterisiert:

W

WWW V

0mm -=Y

_W = chemisches Potential des Wassers [J/mol]

_W0 = chemisches Potential des reinen Wassers unter Standardbedingungen (25°C, 1.013bar) [J/mol]

VW = partielles Molvolumen des Wassers [ m_/mol]

Reines Wasser zeichnet sich durch ein Wasserpotential von 0 aus. Biologische Systeme

dagegen weisen ein Potential auf, das kleiner oder gleich 0 ist.

Das Wasser bewegt sich durch eine Membran immer von der Lösung mit dem höheren

Potential zur Lösung mit dem niedrigeren Potential. Befindet sich eine pflanzliche Zelle in

einem Medium, dessen Wasserpotential höher als das eigene ist, kommt es aus

osmotischen Gründen zur Wasseraufnahme durch die Zelle.

Das Wort Potential bezieht sich auf die Fähigkeit (potentielle Energie) des Wassers, Arbeit

zu leisten, wenn es sich von einem Bereich mit höherem Wasserpotential zu einer Stelle mit

niedrigerem Wasserpotential bewegt.

(b) Das Druckpotential _p

Durch den osmotischen Wassereinstrom entsteht in der Zelle ein hydrostatischer Druck

(Turgordruck, Druckpotential _p).

Der Turgordruck drückt das Plasmalemma gegen die Zellwand und dehnt diese solange, bis

der Wanddruck W (Gegendruck der Zellwand) das Druckpotential vollständig ausgeglichen

hat.

Der osmotische Wassereinstrom findet solange statt, bis der hydrostatische Druck gleich

dem Zellwanddruck ist:

WPW ==Y

Sobald kein Wasser mehr von der Zelle aufgenommen wird, befindet sich die Zelle im

vollturgeszenten Zustand, die vollständige Sättigung ist erreicht. Diesen Zustand findet man

nur bei reinem Wasser.


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Bei einem Zellverband muss auch noch der Gewebedruck G, bei dem es sich um die Zug-

und Druckwirkungen der benachbarten Zellen handelt, miteinbezogen werden:

GWp ±=Y

Den Antagonisten des Turgordrucks bezeichnet man als osmotisches Potential _!. Es ergibt

sich aus der Differenz zwischen dem Potential des Zellsaftes und der Außenlösung:

ai ppp Y-Y=DY

(c) Das Matrixpotential __

Das Matrixpotential gibt die Quellungskapazität von Stoffen in einer Zelle an. Als quellbare

Stoffe werden geladene Stoffe bezeichnet, die man hauptsächlich im Cytoplasma und der

Vakuole findet.

Der Quellungsdruck _ entsteht durch die Einlagerung von Wasser oder einem anderen

Lösemittel in einen quellbaren Körper.

Unter natürlichen Bedingungen ist das Matrixpotential __ negativ, da die Stoffe ihr

Quellungsmaximum meist nicht erreichen.

Das gesamte Wasserpotential einer Zelle ergibt sich durch die Addition der

Einzelpotentiale:

tp Y+Y+Y=Y pW

_W = gesamtes Wasserpotential der Zelle

_p = Druckpotential (hydrostatischer Druck)

_! = osmotisches Potential

__ = Matrixpotential


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1.3 Biologische Prozesse zur Regulation des Wasserhaushalts

Die Pflanze selbst kann prinzipiell über ihre ganze Oberfläche Wasser aufnehmen (z.B. bei

Wasserpflanzen).

Bei den Landpflanzen findet man allerdings Anpassungen an ihren Lebensraum, so z.B. die

Entwicklung von Transpirationswiderständen (Korkgewebe, Cuticula) und speziellen Wasser

und Salz aufnehmenden Organen, den Wurzeln.

1.3.1 Aufnahme von Wasser / Salzen in das Leitgewebe und anschließender lateralerTransport

Sowohl das Wasser als auch die Mineralsalze werden aus dem Boden über die Wurzelhaare

(Ausstülpungen der epidermalen Zellen) aufgenommen. Diese Aufnahme kann allerdings nur

dann stattfinden, wenn zwischen Boden und Pflanze eine Potentialdifferenz herrscht. Das

Wasserpotential der Wurzel muss kleiner, also stärker negativ als das des Bodens sein,

damit es zum Wassereinstrom kommen kann.

Die Wurzel kann die Potentialdifferenz zum Boden sogar erhöhen, indem z.B. die

Salzkonzentration in den Vakuolen erhöht wird oder durch bestimmte Kräfte

zurückgehaltenes Wasser weitertransportiert wird.

Bei Vorhandensein der benötigten Potentialdifferenz treten Wasser und darin gelöste Ionen

zunächst in die Wurzelhaar- Zellwand ein. Durch die Wurzelrinde gelangen sie entweder auf

symplastischem oder auf apoplastischem Weg zum Zentralzylinder (siehe Abb.4).

Abb.4: Lateraler Wasser- und Salztransport in Wurzeln [aus: Campbell, Biologie, S. 768, 2. korrigierter Nachdruck 2000,

Spektrum-Verlag]

Beim apoplastischen Weg kommt es zur Aufnahme der hydrophilen Bodenlösung durch die

hydrophilen Wände der Epidermis; so gelangt sie in den Apoplasten und sickert entlang der

Matrix aus Wandzellen in die Wurzelrinde.


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Im Anschluss durchqueren Wasser und Nährsalze die Plasmamembran und treten in den

Symplasten ein, da die Caspary- Streifen im Apoplasten eine Barriere bilden, die nicht

überwunden werden kann. Die Caspary- Streifen befinden sich im Innern jeder

Endodermiszelle und bestehen aus wachsartigem, also hydrophobem Material, das heißt, sie

blockieren auf diesem Wege die Passage der hydrophilen Wassermoleküle und wirken so

als Selektivfilter für Mineralstoffe: nur Mineralstoffe, die sich bereits im Symplasten befinden

oder durch Querung der Plasmamembran einer Endodermiszelle dorthin gelangt sind,

können in den Zentralzylinder eintreten.

Im Zentralzylinder geben Endodermis- und Parenchymzellen Wasser und Salz in ihre Wände

ab, die als Teil des Apoplasten in die Xylemgefäße übergehen.

Im Anschluss daran beginnt der Aufstieg der durch die Wurzeln absorbierten Bodenlösung

durch das Xylem in den Spross.

1.3.2 Wurzeldruck und Transpiration als Mechanismen für den Aufstiegstransport

Der Aufstieg des Wassers und der Nährsalze ist sowohl vom Wurzeldruck als auch vom

Transpirationssog abhängig.

(a) Wurzeldruck

Unter dem Wurzeldruck versteht man den hydrostatischen Druck im Zentralzylinder der

Wurzel, der durch aktiven Transport von Ionen und anderen osmotisch wirksamen

Substanzen aus dem Xylemparenchym in das Leitgewebe des Xylems entsteht.

Die im Zentralzylinder befindlichen Ionen können auf Grund der Endodermis nicht mehr

hinaus; das Wasserpotential ist dort also niedrig (je mehr Ionen vorhanden sind, umso

kleiner ist das Wasserpotential). Aus osmotischen Gründen kommt es zum Wassereinstrom

in die Stele, die für den Wurzeldruck verantwortlich ist.

Überschüssiges Wasser kann auf zwei verschiedene Arten von der Pflanze abgegeben

werden, durch Transpiration (Wasserdampf) und Guttation (Wassertröpfchen).

Guttation findet bei geringer Transpiration statt: die Pflanzen sondern kleine Wassertropfen

an den Blattspitzen ab. Dieses Phänomen ist vor allem morgens zu beobachten, da die

Transpirationsrate nachts sehr gering ist, die Wurzeln aber trotzdem Minerale aus dem

Boden aufnehmen.

Der Xylemsaft kann durch den Wurzeldruck einige Meter in die Höhe gedrückt werden.


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(b) Transpirationsstrom

Beim Transpirationsstrom werden im Xylem Wasser und darin gelöste Substanzen von der

Wurzel in die Blätter der Pflanzen transportiert.

Der Transpirationsstrom entsteht durch die Differenz des hohen Wasserstoffpotentials des

Bodens und des niedrigen Potentials der trockenen Luft.

Der Transpirationssog verursacht einen Unterdruck in den Leitelementen des Xylems, auf

Grund dessen sich das Wasser, ohne dass Energie aufgewandt werden muss, nach oben

bewegt. Ein Abreißen des Wasserfadens wird durch Kohäsionskräfte

(Wasserstoffbrückenbildung) verhindert. Die Triebkraft für diesen Transportprozess entsteht

durch die Verdunstung von Wasser an der Blattoberfläche.

Man kann zwei Arten der Transpiration unterscheiden, die stomatäre und die cuticuläre

Transpiration.

- Stomatäre Transpiration: Die Stomata der Blätter führen in Interzellularräume, die

dafür zuständig sind, dass den Mesophyllzellen das für die Photosynthese benötigte

CO2 zugeführt werden kann.

In den Interzellularräumen ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt, da sie in direktem

Kontakt mit den feuchtem Zellwänden steht. Die Luft im Außenraum ist meist

trockener als die Luft im Inneren des Blattes, das heißt, in der äußeren Luft ist die

Wasserkonzentration geringer als im Blattinnenraum. Aus diesem Grund diffundiert

Wasser mit dem Konzentrationsgefälle durch die Stomata nach außen.

Die stomatäre Transpiration macht ungefähr 90% der Gesamttranspiration aus und ist

von der Pflanze durch die Öffnungsstärke der Stomata aktiv regulierbar. Die

Schließzellen der Spaltöffnungen können in Abhängigkeit von den gegebenen

Außenfaktoren (z.B. Licht, Wärme, Luftfeuchtigkeit) die Öffnungsweite ändern. In der

Regel öffnen sich die Spaltöffnungen im Laufe des Vormittags auf Grund der immer

größer werdenden Wasserpotentialdifferenz zwischen Blattinnenraum und

Außenraum.

Um den Wasserverlust durch stomatäre Transpiration zu verhindern, schließen

beispielsweise Pflanzen in heißen Gebieten über die Mittagszeit ihre Spaltöffnungen

ganz.


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- Cuticuläre Transpiration: Die cuticuläre Transpiration kann, im Gegensatz zur

stomatären Transpiration, von der Pflanze nicht aktiv reguliert und beeinflusst

werden. Augrund einer Wasserpotentialdifferenz zwischen Umgebung und

Blattinnenraum wird durch die Epidermiszellen der Außenwände Wasser an die

Umgebung abgegeben.

Um diese Art des Wasserverlustes zu vermindern, haben die Pflanzen drei

verschiedene Strategien entwickelt: Wachsauflagerung, Verkorkung und Verstärkung

der Cuticula.

1.3.3 Der Abstiegstransport (Assimilatstrom)

Im Gegensatz zum Aufstiegstransport, der im Xylem stattfindet, läuft der Abwärtstransport

immer im Phloem ab.

In den Siebröhren werden die Photoassimilate immer von den Zuckerquellen zu den Orten

des Verbrauchs transportiert. Die Richtung und quantitative Aufteilung des Assimilatstroms

ist nicht konstant, sondern unterliegt einer bedarfsabhängigen Regulation.

Unter Zuckerquellen (sources) versteht man Pflanzenorgane, in denen Zucker entweder

durch Photosynthese oder durch den Abbau von Stärke gewonnen wird. In der Regel

gehören die Blätter einer Pflanze zu den sources.

Bei der Photoassimilatverteilung werden aus den exportierenden Blättern die

Photosyntheseprodukte meist auf mehrere Empfängerorgane (sinks) verteilt. Unter sinks

(Abflüssen) versteht man Orte des Zuckerverbrauchs, an denen Zucker verwertet oder

gespeichert wird. Zu den Zucker verbrauchenden Orten zählen im Wachstum befindliche

Wurzeln, Sprossachsen und Früchte ebenso wie nicht-grüne Stengel oder Stämme.

Der Mechanismus des Assimilatstroms kann mit Hilfe der Druckstromtheorie erklärt

werden: Der Saft der Siebröhren wird mit Hilfe des Massenstroms, der auf

Druckunterschieden beruht, bewegt.


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Bei Beladung des Phloems entsteht in der Siebröhre eine an löslichen Stoffen hypertonische

Lösung. Aus osmotischen Gründen strömt Wasser in die Siebröhren nach (um die

hypertonische Lösung zu „verdünnen“). In der Siebröhre entsteht so ein hydrostatischer

Druck, der in der Nähe der Zuckerquelle am höchsten ist.

Abb.5: Druckstrom und Transpirationsstrom (Campbell, Biologie, S. 776, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum-Verlag)

In der Nähe der sinks wird das Wasser wieder abgegeben, der hydrostatische Druck ist dort

am niedrigsten.

Die Wasserabgabe kommt dadurch zustande, dass außerhalb der Siebröhre das

Wasserpotential auf Grund des Saccharoseaustritts abnimmt.

Dadurch, dass am source- Ende Druck aufgebaut wird, der zum sink- Ende hin abnimmt,

kann das Wasser von der Quelle zum Verbrauchsort fließen und dabei den Zucker mitführen.


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1.4 Pfeffersche Zelle (Osmometer)

Unter der Pfefferschen Zelle versteht man ein Analogiemodell zur Pflanzenzelle, mit Hilfe

dessen man das osmotische Potential einer Lösung mittels der Messung des

hydrostatischen Drucks, den diese Lösung im Gleichgewicht mit reinem Wasser entwickeln

kann, bestimmt.

Aufbau der Pefferschen Zelle:

Die Pfeffersche Zelle ist aus einem mit Wasser bzw. einem Lösemittel (_W = 0) gefüllten

Gefäß aufgebaut, in das ein eine Rohrzuckerlösung enthaltender Tonzylinder (_W < 0)

gesteckt wird.

Abb.6: Pfeffersche Zelle [aus: Nultsch, Allgemeine Botanik, S. 55, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag]

m = Quecksilbermanometer l = zu messende Lösung

t = Tonzylinder w = Wasser

n = Niederschlagsmembran

Im Tonzylinder, der eine semipermeable Membran trägt und der mit einem Stopfen

verschlossen ist, befindet sich also eine im Vergleich zum Außenraum hyperosmotische

Flüssigkeit. Aus diesem Grund entsteht ein Diffusionsdruck: dabei diffundiert das Wasser

aus dem Glasgefäß in den Innenraum des Tonzylinders, das bedeutet, das Wasser fließt

vom Ort des höheren Wasserpotentials zu einer Stelle mit niedrigerem Potential.

Am Tonzylinder ist ein Steigrohr befestigt, mit Hilfe dessen der osmotische Druck gemessen

werden kann.

Auf Grund des Wassereinstroms steigt die Wassersäule im Steigrohr solange an, bis der von

ihr entwickelte Turgordruck gleich dem osmotischen Druck ist.


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In der folgenden Tabelle sind die sich entsprechenden Systemelemente der Pflanzenzelle

und der Pfefferschen Zelle einander gegenübergestellt:

Tab.1: Sich entsprechende Systemelemente der Pfefferschen und der Pflanzenzelle [nach: Schopfer, Brennicke,

Pflanzenphysiologie, S.47, 5. Auflage, 1999, Springer Verlag]

Osmometer Pflanzenzelle

mit Wasser gefüllterAußenraum

mit Wasser gesättigter,freier Diffusionsraum der

Zellwand

mit Lösung gefüllterInnenraum

mit Zellsaft gefüllteVakuole

anorganische,semipermeable Haut im

Tonzylinder

semipermeablerProtoplasmabelag

Anstieg der Wassersäuleim Steigrohr

dehnbare, aber reißfesteZellwand


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2. Material und Methoden

2.1 Versuch1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse

Zu Beginn des ersten Versuchsteils werden zunächst 13 Petrischalen mit jeweils 30 ml

unterschiedlich konzentrierten Zuckerlösungen (in 0,05er-Schritten von 0 - 0,6 M) vorbereitet;

verwendet wird dabei eine 1M Saccharoselösung, wobei die davon eingesetzten Volumen für

die jeweiligen Konzentrationen berechnet werden müssen.

Währenddessen werden mit Hilfe eines Messers Kartoffeln in 13, etwa 3g schwere Scheiben

geschnitten. Das genaue Gewicht der 13 Scheiben wird aufgeschrieben.

Anschließend werden die Kartoffelscheiben in die Petrischalen mit den verschiedenen

Zuckerkonzentrationen gelegt. Nach zwei Stunden wird das Gewicht der einzelnen Scheiben

erneut gemessen.

So kann die prozentuale Gewichtsänderung gegen die Konzentration aufgetragen und

graphisch das Wasserpotential bestimmt werden.

2.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durchPlasmolyse

Im zweiten Versuchsteil verwendet man Blattstückchen von Rhoeo discolor, die in einige

Tropfen verschiedener Testlösungen einer Konzentrationsreihe von KNO3 (Kaliumnitrat)

gegeben werden. Dazu wird zunächst mit einer 0,5 M KNO3- Stammlösung eine

Konzentrationsreihe von 0 – 0, 35 M KNO3 (in 0,05er-Schritten) angesetzt.

Im Anschluss daran schneidet man mit einer Rasierklinge für jede der Testlösungen drei

Stücke, die jeweils in etwa eine Zellschicht dick sind, aus der Oberfläche der Blätter von

Rhoeo spec. heraus und legt sie auf jeweils einem Objektträger in die Testlösungen.

Nach 20 Minuten werden die Blattstückchen in den einzelnen Testlösungen mikroskopiert.

Bei der Plasmometrie werden pro Probe mit Hilfe eines Messokulars drei Zellen bzw. deren

Protoplasten nach Länge und Breite vermessen. Sobald eine ausreichende Konzentration

vorliegt, dass sich der Protoplast von der Zellwand ablöst, werden nur Zellen zum

Ausmessen verwendet, deren Protoplast konvex plasmolysiert ist.


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3. Ergebnisse

3.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse

Nach Zugabe der Kartoffelscheiben zu den Zuckerlösungen verschiedener Konzentration

nahm der Teil, der in niedrig konzentrierte Zuckerlösungen gelegt wurde, an Gewicht zu,

während bei den Kartoffelscheiben, die in höher konzentrierte Zuckerlösungen gegeben

wurden, eine Gewichtsabnahme beobachtet werden konnte.

Tab.2: Gewichtsveränderung der Kartoffelscheiben in verschieden konzentrierten Zuckerlösungen

Konzentration [mol/l] Anfangsgewicht [g] Gewicht nachher [g] Gewichtsveränderung [%]

0 3,059 3,772 23,310,05 3,087 3,7 19,860,1 2,85 3,202 12,350,15 3,049 3,451 13,180,2 2,873 3,239 12,740,25 2,99 3,214 7,490,3 2,918 2,939 0,720,35 3,069 2,85 -7,14 0,4 2,978 2,702 -9,27 0,45 3,138 2,693 -14,18 0,5 2,895 2,574 -11,09 0,55 3,11 2,487 -20,03 0,6 3,159 2,467 -21,91

Die Gewichtsveränderung in Prozent lässt sich graphisch darstellen.

Grenzplasmolyse

y = -77,497x + 23,714-30

-20

-10

0

10

20

30

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Konzentration [mol/l]

Gew

ich

tsve

rän

der

un

g [

%]

Dia.1: Grenzplasmolyse


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Die Trendlinie zeigt, dass die Gewichtsveränderung relativ linear verläuft. Mit der

angegebenen Formel für die Trendlinie lässt sich der Schnittpunkt mit der X-Achse

rechnerisch wie folgt bestimmen.

y x xy

= - + Æ =-

-77 497 23 714

23 714

77 497, ,

,

,

‡ mit y = 0 ergibt sich: x = 0,306

Das heißt, dass bei einer Außenkonzentration von 0,306 mol/l weder Wasser von der Zelle

aufgenommen noch abgegeben wird. Diese Außenkonzentration entspricht also dem

osmotischen Potential der Zelle.

Mit c = 0,306 mol/l, R = 8,3144 J/Kmol (Gaskonstante), T = 297,45K (unter Standard-

bedingungen) und folgender Formel lässt sich damit das Wasserpotential berechnen:

yW c R T= - ⋅ ⋅ Æ yW= -0,306mol/l · 8,3144 J/Kmol · 297,35K = -756,52J/l

Durch Umrechnung ergibt sich daraus:• Æ yW = - 756520 J/m3

• Æ yW = - 756520 Nm/m3

• Æ yW = - 756520 N/m2

• Æ yW = - 756520 Pa• Æ yW = - 7,56520 bar


Aus den gemessenen Breiten und Längen der Zellen und Protoplasten lässt sich deren

Volumen bestimmen. Dabei geht man davon aus, dass diese zylinderförmig sind.

Man verwendet zur Berechnung des Volumens also folgende Formel:

V = p · r2 · h

Hierbei entspricht h der Zelllänge und r der halben Zellbreite.

Des weiteren wird das Verhältnis von Zellvolumen zu Protoplastenvolumen bei den

unterschiedlichen Konzentrationen bestimmt und graphisch dargestellt.


20

Tab.3: Verhältnis Zellvolumen zu Protoplastenvolumen bei unterschiedlichen Konzentrationen

c KNO3

[mol/l]Zelle Nr.

Zell-breite

Zell-länge

Protoplasten-breite

Protoplasten-länge

Zell-volumen

Protoplasten-volumen

VZ/VPDurchschnitt

VZ/VP

0 1 3,5 4,2 - - 40,41 - - -

2 3,7 4,5 - - 48,38 - - -

3 3,6 4,5 - - 45,80 - - -

0,05 1 3,8 4,7 - - 53,30 - - -

2 4,2 4,5 - - 62,35 - - -

3 2,8 6 - - 36,95 - - -

0,1 1 3,5 5,3 - - 50,99 - - -

2 4,2 5,1 - - 70,66 - - -

3 3,5 4,6 - - 44,26 - - -

0,15 1 3 5,1 3 3,2 36,05 22,62 1,59

2 3,5 5 3,5 3,5 48,11 33,67 1,43 1,67

3 3 6,4 2,8 3,7 45,24 22,78 1,99

0,2 1 4,3 5,1 3,9 4,8 74,06 57,34 1,29

2 4,5 6,2 2,5 4,2 98,61 20,62 4,78 2,65

3 4,3 6 3,7 4,3 87,13 46,23 1,88

0,25 1 3,8 5 3 5 56,71 35,34 1,60

2 3,5 4,5 3,5 3,1 43,30 29,83 1,45 2,05

3 5,1 6,5 4 3,4 132,78 42,73 3,11

0,3 1 2,6 5,7 2,6 3 30,26 15,93 1,90

2 2,7 6,7 1,8 4,7 38,36 11,96 3,21 2,52

3 2,7 6,9 2,5 3,3 39,51 16,20 2,44

0,35 1 4,4 6,6 2,3 4,4 100,36 18,28 5,49

2 3 5,5 1,7 3,5 38,88 7,94 4,89 4,99

3 3,7 5,9 2 4,4 63,44 13,82 4,59

Grenzplasmolyse

0

1

2

3

4

5

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Konzentration [mol/l]

Ver

häl

tnis

VZ

zu

VP

Dia.2: Verhältnis von Zellvolumen zu Plasmavolumen bei unterschiedlichen Konzentrationen

Aus dem Diagramm lässt sich die KNO3-Konzentration ablesen, bei der sich der Protoplast

gerade von der Zellwand löst. Diese Konzentration der Grenzplasmolyse liegt bei 0,15mol/l,

bzw. zwischen 0,1 mol/l und 0,15 mol/l.


21


22

4. Diskussion

4.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse

Bis zu einer Konzentration von 0,3 mol/l nimmt das Gewicht der Kartoffelscheiben in der

Zuckerlösung kontinuierlich zu. Das liegt daran, dass die osmotische Konzentration innerhalb

der Zelle größer ist als außerhalb. Die Zelle befindet sich also in einem hypotonischen Milieu

und nimmt osmotisch Wasser auf, was zu einer Gewichtszunahme führt. Die

Wasseraufnahme wird durch den Gegendruck der Zellwand ab einem bestimmten Punkt

verhindert.

Diese Gewichtszunahme wird kontinuierlich geringer (bis auf 2 kleinere „Ausreißer“ bei einer

Konzentration von 0,15 mol/l und 0,2 mol/l), was darauf zurückzuführen ist, dass die

Konzentration des Außenmediums der Konzentration im Zellinneren immer ähnlicher wird

und weniger Wasser zum Konzentrationsausgleich aufgenommen werden muss.

Ab einer Konzentration von 0,35 mol/l nimmt das Gewicht der Kartoffelscheiben mit

steigender Konzentration stetig ab (auch hier gibt es bei einer Konzentration von 0,5 mol/l

einen kleineren „Ausreißer“). Die Zelle befindet sich jetzt in einer hypertonischen Umgebung,

was dazu führt, dass der Protoplast durch Osmose Wasser an das umgebende Medium

abgibt (Plasmolyse), um es zu „verdünnen“. Dadurch verlieren die Kartoffelscheiben

zunehmend an Gewicht. Der Wasserverlust führt gleichzeitig zu einem Verlust an Form, da

die Zellen durch den auf die Zellwände wirkenden Turgordruck stabilisiert werden.

Der Punkt, an dem die Plasmolyse gerade begonnen hat (Grenzplasmolyse), konnte durch

Auswertung der graphischen Darstellung rechnerisch bestimmt werden. Er liegt bei einer

Konzentration von 0,306 mol/l. Hier findet kein Netto-Wassertransport statt, die

Konzentration der Außenlösung entspricht also dem osmotischen Wert der Zelle.

Die „Ausreißer“ der von uns beobachteten Gewichtsveränderungen sind relativ gering und

weichen nur sehr wenig von der Trendlinie ab. Ursache könnten eine fehlerhafte

Konzentration der Zuckerlösung oder Ungenauigkeiten bei der Gewichtsbestimmung sein.

Das von uns berechnete Wasserpotential yW liegt bei - 7,5652 bar. Es beschreibt die

Tendenz des Wassers (also seine potentielle Energie), von einem Ort zu einem anderen zu

wandern, nämlich von dem Ort mit höherem yW zu dem mit niedrigerem yW. Ein negatives

Wasserpotential besagt also, dass die Zelle Wasser aus einem Bezugssystem aufnimmt

(sofern dieses nicht ein noch kleineres Wasserpotential besitzt). Unser Wert liegt mit

yW = - 7,5652 bar in dem für Pflanzenzellen üblichen Bereich, der laut Literaturwerten

zwischen - 5 und -15 bar liegt.


23


Unter einer Konzentration von 0,1 mol/l der Kalium-Nitrat-Lösung konnte mit dem Mikroskop

noch keine Ablösung des Protoplasten von der Zellwand beobachtet werden. Das Volumen

des Protoplasten konnte deshalb auch nicht bestimmt werden.

Ab einer Konzentration von 0,15 mol/l konnte man ein konvexes Ablösen des Protoplasten

von der Zellwand beobachten, was bedeutet, dass ab dieser Konzentration das

Wasserpotential der Zelle größer ist als das des umgebenden Mediums. Dies führt dazu,

dass die Zelle durch Osmose Wasser an die hypertonische Umgebung abgibt. Durch die

Wasserabgabe nimmt der Druck (Turgor) innerhalb des Plasmaschlauches ab und er verliert

mit steigender Konzentration zunehmend an Volumen. Da das Volumen der Zelle durch die

feste Zellwand konstant bleibt, steigt das Verhältnis von Zellvolumen zu

Protoplastenvolumen an. Dies wird auch aus dem Diagramm sehr gut ersichtlich. Bei einer

Konzentration von 0,25 und 0,3mol/l haben wir zwei „Ausreißer“. Diese sind vermutlich auf

Pipettierfehler beim Herstellen der verschieden konzentrierten Kalium-Nitrat-Lösungen

zurückzuführen.

Der von uns bestimmte Wert von 0,15mol/l für die Grenzplasmolyse liegt noch im Bereich

der Literaturwerte, die dafür eine Konzentration von 0,15 bis 0,25mol/l angeben.


24

5. Zusammenfassung

Bei diesem Versuch sollte die Abhängigkeit der Wasseraufnahme und -Abgabe einer Pflanze

vom osmotischem Potential und dem damit verknüpften Wasserpotential untersucht werden.

Hierzu wurden zunächst mittels Grenzplasmolyse das Wasserpotential und das osmotische

Potential der Kartoffel (Solanum tuberosum) bestimmt.

Im zweiten Versuchsteil wurde der osmotischen Wert des Zellsaftes von Rhoeo spec. durch

Plasmometrie ermittelt.

Durch graphische Auftragung der Daten konnte jeweils die Konzentration bestimmt werden,

bei der kein Netto- Wasserstrom stattfand (Grenzplasmolyse).


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Literaturverzeichnis

- Campbell: Biologie, 2. korrigierter Nachdruck 2000, Spektrum Verlag

- Nultsch: Allgemeine Botanik, 10. Auflage, 1996, Thieme Verlag

- Schopfer / Brennicke: Pflanzenphysiologie, 5. Auflage, 1999, Springer-Verlag

- Mohr / Schopfer: Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, 3. Auflage, 1978, Springer-Verlag

- Scherf: Wörterbuch Biologie, 1.Auflage, 1997, dtv

- Skript zum Grundpraktikum Pflanzenphysiologie und molekulare Botanik SS 2003

- Alte Protokolle

1. theoretischer hintergrund - uni ulm aktuelles · pdf filepflanzenphysiologisches...

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