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Questions for Biology IIB (SS 2005) Plant biology Wilhelm Gruissem 1. Photosystem II has a special chlorophyll pair (P680) that delivers electrons to pheophytin, the primary electron acceptor. The electron transfer between P680 and pheophytin is called charge separation and is very rapid (1 to 3 x 10–12 sec), while subsequent transfer reactions take longer. Explain why a rapid charge separation between P680 and pheophytin is necessary. Rückwärtsreaktion/Oxidation kann dadruch verhindert werden (e sind sehr reaktiv & können ansonsten rückreagieren)

Diese schnelle Reaktion ist also notwendig, weil das angeregte Chlorophyll (Chl. + hν → Chl.*) sehr instabil ist (10-9s). Um seine Energie loszuwerden hat es vier Möglichkeiten zu rea-gieren:

- Fluoreszenz: Emission eines Photons - Abgabe von Wärme - Übertragung der Energie auf ein anderes Molekül - Photochemischer Prozess

Damit ein Photochemischer Prozess (hier Ladungstrennung) stattfinden kann, muss dieser sehr schnell sein, um die andern Prozesse auszuschließen. Diese Ladungstrennung ist der essentiel-le Prozess, alle weiteren Prozesse (sekundäre Akzeptoren) sind nicht mehr reversibel, da immer etwas Energie verloren geht. (S.113/114, 127) 2. Photosynthetic bacteria have a single photosystem, while algae and higher plants have two photosystems (PSI and PSII). What is the advantage of two photosystems?

• Der Vorteil von 2 Photosystemen ist, dass bei 2 verschiedenen Wellenlängen absorbiert werden kann. Die Energie kann also effizienter genutzt werden. Fig: 7.14

• Zudem kann mit 2 Photosystemen ein größerer H+-Gradient erzeugt werden. • Die 2 Photosysteme sind räumlich getrennt in der Thylakoid Membran. So kann sowohl

nur ATP als auch NADPH produziert werden; je nach dem, was die Pflanze braucht. (Zu-sätzlich kann über cyclischen Elektronentransport ATP erzeugt werden).

3. You are investigating the mechanisms of photosynthesis using isolated chloroplasts that are suspended in a suitable buffer. Using sensitive microelectrodes you find that in the dark, the pH in the thylakoid lumen and the stroma is very similar. After illumination, you measure a significant difference in pH between the two compartments, with pH 5 in the thylakoid lumen and pH 8 in the stroma. How do you explain this 1000-fold pH difference in the light between the two compartments? pH = 5 bedeutet eine H+-Konzentration von 10-5

pH = 8 bedeutet eine H+-Konzentration von 10-8 Wenn Licht einfällt, kann die Pflanze Photosynthese betreiben: dadurch kann sie einen pH-Gradienten aufbauen( es werden dabei 2 H+ im Innern durch die Oxidation von Wasser freige-setzt & zusätzlich werden mit Hilfe von PS II (bezw. Plastoquinon) 2 H+ vom Stroma ins Lumen transportiert. Durch die Generierung von NADP+ zu NADPH wird noch ein Proton im Stroma

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„verbraucht“. Der Nettoverbrauch wäre dann 1 H+ ins Stroma : 4 H+ im Lumen (pro Runde) → pH-Gradient Aufbau!). Bei 1000 fachem H+-Unterschied arbeitet ATP-Synthase am effizientesten. 4. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase is an abundant plant enzyme required for the fixation of CO2. a. Under ambient conditions (O2, light, temperature), which are the two most important parameters that favor the forward reaction in CO2-fixation? Wichtige Parameter: (Verhältnis von CO2 :O2 ist bei Standardbedingungen 0.0416)

- grosse negative Änderung der freien Enthalpie, die bei der Carboxylie-rung von Ribulose-1,5-bisphosphat entsteht - Affinität von Rubisco zu CO2 ist genügend groß um die rasche Carboxy-lierung bei den tiefen CO2 –Konzentrationen in photosynthetisierenden Zellen zu gewährleisten

b. Raising the concentration of O2 from an ambient concentration to 40% reduces the rate of photosynthesis to 50%, while reducing the concentration of O2 from an ambient concentration to 2% increases the rate of photosynthesis two-fold. Explain this observation. Rubisco hat eine Affinität sowohl für CO2 als auch für O2. Entscheidend ist das Verhältnis der beiden Gase. Bindet O2, findet Photorespiration anstelle von CO2-Fixierung statt. CO2 und O2 binden kompetitiv, das heisst, je höher die O2- Konzentration, desto weniger bindet CO2. Die Carboxylierung ist umso effizienter, je höher der Partialdruck von CO2 ist, und der ist ja umso kleiner, je höher die O2-Konzentration ist. Die Photosynthese-Rate nimmt ab, weil weniger CO2 fixiert werden kann bei hoher Sauerstoffkonzentration. 5. What is one aspect common between the Calvin-Benson cycle (photosynthesis) and the citric acid cycle (respiration)? In beiden Zyklen werden Reduktionsäquivalente (Photosynthese: NADP+/NADPH; Atmung: NAD+/NADH) verwendet um die Entstehende Energie zu speichern. Obwohl, im Calvin-Zyklus werden sie verbraucht (oxidiert) während sie im Zitronensäurezyklus gebildet werden (reduziert). Beide Zyklen sind mit einer Elektronentransportkette verbunden. Im Zitronensäurezyklus werden Zucker zu CO2 oxidert, im Calvin-Zyklus wird CO2 zu Zucker reduziert. Hier bin ich mir auch nicht ganz sicher, ob das die richtige Antwort ist!!!! 6. Why has maize become an important commercial crop in the mid-west of the United States, while wheat is more prevalent in Canada and northern Europe? Mais ist eine C4-Pflanze, Weizen eine C3-Pflanze. In warmem, trockenem Klima (mid-west of US) haben C4-Pflanzen einen Vorteil gegenüber C3-Pflanzen, während es sich in kühleren feuchteren Gebieten (Kanada, Nordeuropa) umgekehrt verhält. Dies hat folgende Ursache: Die CO2-Fixierung bei C4-Pflanzen verläuft folgendermassen:

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1. Fixierung von CO2 durch Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat in Mesophyll-Zellen um C4-Säure zu bilden (Malat oder Aspartat)

2. Die C4-Säure wird in Bundle-Sheat-Zellen (Bündelscheitelzellen) transportiert 3. Die C4-Säure wird decarboxyliert und CO2 wird freigesetzt (und von Rubisco weiterver-

arbeitet.) 4. Die entstandene C3-Säure wird zurück ins Mesophyll transportiert und Phosphoenolpy-

ruvat wird regeneriert. Fig:8.10 Dieser Prozess kostet Energie (Phosphatbindungen werden gebrochen, 2ATP pro CO2), dafür ist die Konzentration von CO2 bei Bindungsstelle von Rubisco für CO2 immer genug hoch (hö-her, als die CO2-Konzentration bei Gleichgewicht mit der Umgebung wäre), um Photorespiration (Reaktion von Rubisco mit O2) zu verhindern. Bei C3-Pflanzen findet die Fixierung von CO2 durch Rubisco direkt im Mesophyll statt. Der Energieaufwand für den Transport in C4-Pflanzen fällt weg. Dafür kann bei tiefem Partialdruck von CO2 Photorespiration stattfinden. Da die relative Konzentration von O2 gegenüber CO2 mit steigender Temperatur zunimmt, sind die C4-Pflanzen im Vorteil bei hoher Temperatur (viel Photorespiration bei C3-Pflanzen), wäh-rend bei tiefer Temperatur (keine Photorespiration) die C3-Pflanzen im Vorteil sind, da die C4-Pflanzen zusätzliche Energie „umsonst“ aufbringen müssen. Erklärende Ergänzungen: C3: Haben nur in Mesophyll-Zellen Chloroplasten C4: Haben sowohl in Mesophyll-Zellen, als auch in Bündelscheitel-Zellen Chloroplasten Fig. 8.10, p.158 7. Explain the major differences in morphology and CO2 uptake between plants that use C4 photosynthesis and plants that use the crassulacean acid metabolism. CAM-Pflanzen: CO2-Aufnahme und Fixierung in der Nacht Decarboxylierung & Refixierung von freigesetztem CO2 am Tag so sind

Stomata nur in der Nacht geöffnet & Pflanze hat geringeren Wasserverlust durch Transpiration

CO2 Aufnahme: • Bei C4 Pflanzen wird das CO2 in den Mesophyll Zellen ans PEP fixiert und so über Oxaloa-

cetat in Malat umgewandelt. Das Malat wird dann in die Bündelscheidenzellen (bundle sheath cells) transportiert. Dort wird das CO2 wieder freigesetzt und über den Calvin Zyklus fixiert.

• Bei CAM Pflanzen wird CO2 in der Nacht analog zu Malate fixiert. Das Malate wird dann aber in die Vakuole transportiert. Am tag wird Malate zurück ins Zytosol transportiert und das CO2 freigesetzt, welches über den Calvin Zyklus fixiert wird.

Morphologie: • C4 haben grosse Bündelscheidezellen welche durch sehr viele Plasmodesmata mit den Me-

sophyll Zellen verbunden sind. Pflanzen in Hitzegebieten. • CAM Pflanzen habe dicke saftige Blätter: Meist sind es Sukkulenten. Typische Trocken-

standort Pflanzen.

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8. Imagine you have to design a plant and make decisions on how the sugars glucose, fructose and sucrose should be transported in the phloem from the leaf to the root. What is your decision and why did you make it?

passiver Transport durch Druckgradienten zwisch Wurzeln und Blättern Um den Massentransport im Phloem zu erzeugen, kann ein natürliches physikalisches Prinzip, nämlich der Druck, angewendet werden. Die Zellen im Blatt pumpen die Zucker aktiv in das Phloem. So steigt im Phloem beim Blatt die Osmolarität stark an Wasser kommt in Siebzelle rein & Turgordruck steigt. Im Gegensatz dazu pumpen die Zellen der Wurzel die Zucker aktiv aus dem Phloem in sich hinein. Die Osmolarität wird dort start erniedrigt. Dadurch entsteht ein Druckgradient Fluss von Wasser & Soluten zu den Wurzeln. Nun muss irgendwie sichergestellt werden, dass sich der Druck nicht ausgleicht. Dies kann er-reicht werden, indem man die Phloemzellen nicht als langes Rohr, sondern als Anreihung von porösen Zellen designed. Das Wasser, das durch den Druck transportiert wird, wird im Xylem wieder nach oben transportiert. Fig. 10.10,p204 9. After sunrise photosynthesis is activated and the triose-phosphate pool fills up rapidly. Although triose-phosphates from the pool are used by the plant cell for metabolic processes (e.g., amino acid biosynthesis, respiration), these reactions use only a small fraction of the trioses produced by photosynthetic CO2 fixation. How does the plant assure that photosynthesis continues during the day? Die Pflanze verwandelt die Triosephosphate auf 2 verschiedenen Biosynthesewegen entweder zu Stärke oder zu Saccharose. Am Morgen, wenn das Pi im Cytosol noch hoch ist, wird Saccha-rose gebildet & am Nachmittag wenn das inorganische Phosphat im Cytosol niedrig ist, wird Stärke gebildet. Da dies 2 konkurrenzierende Reaktionen sind, wird immer etwas gemacht → Pool füllt also nie ganz auf & Photsynthese kann weiterlaufen. 10. Which five intermediates of glycolysis and the citric acid cycle are substrates for the synthesis of all 20 amino acids in plants? Kurz und bündig: 1. alpha-ketoglutarate (2-Oxogluterate): Zitronensäurezyklus 2. oxaloacetate: Zitronensäurezyklus 3. pyruvate: Glykolyse 4. 3-phosphoglycerate: Glykolyse 5. phosphoenolpyruvate: Glykolyse (benötigt für den Aufbau der aromatischen Aminosäure zusätzlich Erythrose-4-phosphat) Fig 11.13, p244 11. The alternative oxidase is a unique plant mitochondrial enzyme that transfers electrons to oxygen, bypassing complex III and IV in the electron transport chain. a. What happens to the energy that is not used for proton pumping?

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Diese Energie geht als Wärme verloren, da die Protonenpumpen Komplex III und IV übergangen werden. Ohne den Protonengradienten kann die Energie nicht in ATP gespeichert werden. b. Why would the enzyme be of advantage to plants but not animals? Für Pflanzen kann es verschiedene Vorteile haben: z.B. schaltet die Voodoo-Lilie die alternative Oxidase ein um so grosse Hitze zu erzeugen, welche Moleküle verdampfen lockt so Bestäuber an. Bei verschiedenem Stress (Bsp: Trockenheit) kann das abziehen von e- eine potentielle Überre-duktion des Ubiquinonpools vorbeugen (Überreduktion des Ubiquinonpools geschieht durch zuwenig ADP oder Phosphat durch Überproduktion von ATP und führt zu Schädigung der Mem-branen durch Bildung von aktiven Sauerstoffspezies wie Superoxid) → der Effekt von Stress auf Respiration kann vermindert werden → Tiere können Stress eher aus dem Weg gehen, da sie mobil sind & durch Nahrungsaufnahme Energiezufuhr steuern können. S. 242 12. Many plants store pre-dominantly oils and triacylglycerols in their seeds rather than starch. What would be the advantage? Lipide repräsentieren eine viel stärker reduzierte Form von Carbon als Carbohydrate. Deshalb kann die komplette Oxidation von 1g Fett oder Öl (0.41 mol ATP) viel mehr ATP produzieren, als die Oxidation von 1g Stärke (0.17-0.18 mol ATP).→ höhere ATP-Ausbeute pro Mol bei den Tri-glyceriden: mehr Energie auf weniger Raum. 13. A biological membrane is composed of lipids and proteins. a. How would two membranes differ in their fluidity at 20ºC if they would contain either only saturated fatty acids or only unsaturated fatty acids? Falls die Membran nur ungesättigte Fettsäuren enthält, liegt sie bei 20°C in einer flüssigen Form vor. Enthält sie aber nur gesättigte Fettsäuren, so liegt sie in einer “festen” (solid) Form vor. b. What would you predict for the movement of proteins in these two types of membranes?bei der nur gesättigten wäre Proteinmobilität praktisch verunmöglicht

bei der ungesättigten würden Proteine mühelos flippen können, doch hätten sie wahrscheinlich Mühe immer am selben Ort zu bleiben! (In ungesättigten Fettsäuren sind ionische und kovalente Wechselwirkungen nicht stark ausge-prägt, daher findet man dort wahrscheinlich wenige bis gar keine peripheren Proteine. Ankerpro-teine sind nur an Lipide mit gesättigten Fettsäuren gebunden. Einzig Integralproteine würde man in beiden Membranen finden.) c. What is the mechanism that can explain why cold-sensitive plants wilt after they have been exposed to low but above-freezing temperatures? Dies kann durch den Übergang der Membranlipide von einer Gelphase in eine “flüssige” Phase erklärt werden. (thermal phase transition) Bei Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt (0°C) kristallisiert die Membran von Kälte sensi-tiven Pflanzen. Die physikalischen Eigenschaften wirken sich sehr stark auf die Funktion der Membranproteine aus. → Inhibition der ATPase Aktivität, des Nährstofftransports, der Ener-

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gietransduktion (=Weitergabe) und des enzymabhängigen Metabolismus. Ist die Pflanze noch zusätzlich einem hohen Photonenfluss ausgesetzt, führt dies auch noch zu einer Beschädigung der Photosynthese Maschinerie. S.253 14. Animal cells produce only eukaryote-type lipids, while plants produce both eukaryote- and prokaryote-type lipids. How do you explain the difference? Pflanzen können beide Typen produzieren, da die „eukaryotischen“ Lipide im ER produziert werden (was bei den Tieren auch vorhanden ist) aber die prokaryotischen Typen werden durch den Chloroplasten produziert (welcher bei den Tieren nicht vorhanden ist) → So müssen Tiere sich diese Lipide durch Fressen von Pflanzen „aneignen“ ☺ 15. Explain the principal steps in fatty acid biosynthesis.

1. Im ersten Schritt der Fettsäuresynthese wird die Acetat Gruppe vom Acetyl-CoA auf ein spezi-fisches Cystein eines kondensierenden Enzyms (3-ketoacyl-ACP synthase) übertragen und dann mit Malonyl ACP kombiniert um ein Acetoacetyl-ACP zu bilden. 2. Die Keto Gruppe am C3 wird mit Hilfe von 3 Enzymen reduziert. Es entsteht nun eine neue Acyl Kette (butyryl- ACP) 3. Die 4C-Säure und ein weiteres Molekül Malonyl-ACP bilden das neue Substrat für kondensie-rendes Enzym. Der Zyklus wiederholt sich nun so lange, bis 16 oder 18 C angefügt worden sind. Fig. 11.16, p251

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16. Which classes of molecules provide the substrates for the synthesis of all known non-peptide plant hormones? - Isoprenbiosynthese

Gibbrellinsäure (GA) Abscisinsäure (ABA) Cytokinine (CK) Brassinostereoide (BR)

- Aminosäuren Auxin (IAA, aus Tryptophan) Ethylen (aus Methionin) Salicylsäure (SA, aus Phenylalanin) Polyamine (aus Arginin)

- Lipide Jasmonsäure (JA, aus Linoleat)

17. Agrobacterium tumefasciens transforms plant cells with genes that encode enzymes for hormone biosynthesis and synthesis of complex compounds that can be metabolized only by the bacterial cell. a. Which hormomes do you predict will be synthesized by the enzymes to explain the production of tumors (crown gall tumors)? Cytokinin, Auxin Ein kleiner Teil des Ti Plasmids (T-DNA) wird von Agrobakterium in das Pflanzengenom über-tragen (Klonierung). Ein Enzym (Isopentyl Transferase IPT) überträgt ein Isopentyl von DMAPP zu AMP. Das Produkt wird dann zu Zeatin, ein aktives Cytokinin, ummetabolisiert. Durch 2 weitere Gene wird Tryptophan in Auxin umgewandelt. b. In what ratio do you predict will the transformed cells produce the hormones to develop the non-differentiated cells in the tumor? mittlerer Verteilung der beiden Hormone: also ca. 1:1 (mg/ml) Konzentration c. How can you test your prediction?

• Testen, welche Hormone bei nicht-infizierten Pflanzen dasselbe verursachen • Radioaktiv markiertes Adenin wird in Cytokinine inkorporiert → Messung wieviel es gibt! • Radioaktiv markiertes Tryptophan wird in Auxin inkorporiert → Messung wieviel es gibt!

18. You insert into the genome of tobacco plants the ipt gene under the control of a senescence-specific promoter (i.e., a promoter that is activated only during senescence). As a result, you find that senescence is strongly delayed in the transformed plant but not in your control plant. How do you explain this observation and what hormones do you predict will be antagonized by the ipt gene? Durch das ipt Gen kann aus DMAPP und AMP über einige weitere Synthesen Zeatin gebildet werden. Zeatin ist ein Cytokinin. Durch den gesteigerten Cytokingehalt wird die Seneszens des

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Blattes blockiert. Zusätzlich wird das ipt Gen gehemmt und somit die Überproduktion und die Tumorbildung. Cytokinin ist also ein natürlicher Regulator der Blattalterung. Antagonist von Cy-tokinin ist Ethylen. 19. During seed germination, GA is produced by the embryo and activates genes in aleurone cells that encode enzymes required for starch mobilization. In order to test if it is indeed GA that is required, you take several germinating seeds and treat one of each with one of the other plant hormones. a. Which other hormone do you predict will antagonize the GA-induced gene activity in the germinating seed? ABA (Abscisic Acid) b. Why do you think this hormone has the predicted effect? ABA (Abscisic Acid) (ABA initiates and maintains seed dormancy, but other hormones are involved to) ABA inhibits the synthesis of hydrolytic enzymes that are essential for the break down of storage reserve in seeds. For example GA stimulates the aleurone layer of cereal grains to produce α-amylase and other hydrolytic enzymes that break down stored resources in the endosperm during germination. ABA inhibits this GA dependant enzyme synthesis by inhibiting the transcription of α-amylase mRNA. ABA bewirkt dies auf 2 verschiedene Weisen:

1. Das Protein VP1 (Aktivator von ABA induzierter Gen-Expression) verhält sich als transkriptionaler Repressor von Ga-Regulierten Genen.

2. ABA unterdrückt die GA-induzierte Expression von GA-MYB, einem Transkriptionsfaktor welcher die GA-Induktion von α-Amylase-Expression steuert.

20. In the late 19th century, farmers stored apples for the winter in large warehouses. To keep the apples from freezing (which would destroy their texture), they used kerosene stoves to keep the temperature above 0ºC. But they found that the apples ripened quickly. Why? Using genetic engineering technology, which enzymes would you target to develop apples in which the ripening process is delayed? a) Bei der Verbrennung von Kerosen entstand Ethylen. In klimakterische Früchten wirkt Ethylen, ein Planzenhormon, aktivierend für den Reifungsprozess. Ein kurzzeitiger aber deutlicher Ethy-lenanstieg korreliert mit dem Beginn der Reifung (und somit dem Anstieg von CO2). Der Ethy-lenkontakt auf diese Früchte hat autokatalytische Auswirkung. Der dadurch ansteigende Ethy-lengehalt treibt den Reifungsprozess zusätzlich an. b) Das Einbringen von DNA-Sequenzen ins Genom der Äpfel, die für eine Antisens-RNA zur ACC-Synthase oder ACC-Oxidase codieren, blockiert rsp. hemmt die Bildung von Ethylen. Die-se beiden Enzyme katalysieren die Reaktionen von Vorläuferprodukten (zB: ACC=1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid) des Ethylens. Selbstverständlich müssen entsprechende Promotorsequenzen etc. auch inseriert werden.

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21. Auxin induces the expansion of cells by softening the cell wall through (among other processes) reduction of the pH. a. Which enzyme is required for the pH change in the cell wall? b. Explain two hypotheses by which the regulation of this enzyme could be explained. a) Plasmamembran H+ - ATPase (PM H+-ATPase) b) Aktivierungshypothese (activation hypothesis): Auxin bindet an ein Auxin-bindendes Protein (ABP1) welches auf der Zelloberfläche oder im Cytosol lokalisiert ist. Der entstandene Komplex interagiert mit der PM H+-ATPase und stimuliert so das Pumpen von Protonen über die Plasmamembran aus dem Cytosol. (Sekundäre Messen-ger, wie Ca2+ oder der intrazelluläre pH könnten ebenfalls involviert sein.) Bei Auxinabwesenheit wird die katalytische Bindungsstelle der PM H+-ATPase durch ihre C-terminale Domäne blo-ckiert. (p440/1/2) Synthesehypothese (synthesis hypothesis): Auxin induzierte, sekundäre Messenger aktivieren die Expression von Genen, welche für die PM H+-ATPase codieren. Das Protein wird am rauhen ER synthetisiert und gelangt über den sekre-torischen Transportweg zur Plasmamembran. Die Erhöhung des Protonenausstroms wird also durch eine Erhöhung in der Anzahl der PM H+-ATPasen in der Plasmamembran reguliert. 22. Are animal embryonic stem cells and plant meristem cells comparable? If yes, why? If not, why not? Ja, grundsätzlich können tierische embryonale Stammzellen und pflanzliche Meristemzellen miteinander verglichen werden. Bei der Zellteilung bleibt bei beiden Zelltypen im Durchschnitt eine Tochterzelle Stammzelle, während sich die andere Tochterzelle zu einer differenzierten Zelle entwickelt. Sowohl die tierischen embryonalen Stammzellen also auch die Meristemzelle sind die ultimate Quelle für jedweden differenzierten Zelltyp des ganzen Organismus. Sie haben also totipotenten Charakter. Zudem ist bei beiden Organismen die Teilung der jeweiligen Stammzellen verhältnismässig langsam. 23. The shoot apical meristem consists of three layers (L1, L2, L3). In what planes must cell division occur in these layers to allow growth of the meristem? L1: antikline Teilung, dh: neue Zellwand steht senkrecht auf die Meristemschicht L2: antikline Teilung, dh: neue Zellwand steht senkrecht auf die Meristemschicht L3: willkürliche Teilung, dh: sowohl antikline als auch perikline Teilung 24. Explain the two principal mechanisms by which plant growth is regulated. In which zones of the shoot and the root does each mechanism contribute pre-dominantly to the growth of the plant?

1. Entwicklungssignalwege kontrolliert durch ein Netzwerk von interagierenden Genen. Diese Art von Regulation kommt hauptsächlich im apikalen Sprossmeristem vor. Lokale und weiter entfernte Signalereignisse kontrollieren die Expres-sion von Genen, welche für Transkriptionsfaktoren codieren. Diese wiederum bestimmen den Charakter und die

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Aktivität von Zellen (& Geweben). Oft beinhaltete dieser Mechanismus `feed-back loops` bei welchen zwei od. mehrere Gene interagieren und ihre gegenseitige Expression regu-lieren. (p362)

2. Entwicklung reguliert über Zell-Zell-Signalgebung. Diese Art von Regulation beinhaltet die Signalgebung von benachbarten od. aber auch etwas entfernteren Zellen über Liganden induzierte Signalgebung, vorwiegend im A-poplast, Hormonsignalgebung und Signalisierung über regulatorische Proteine und/oder mRNAs , vorwiegend im Symplast. (p363)

Diese Frage ist etwas umfangreich gestellt. Obige Angaben stammen aus dem Buch und unten-stehende Angaben aus dem Skript. Die Morphologie der Pflanze wird durch eine Kombination von folgenden zwei Mechanismen bestimmt: Zellteilung: Dies findet in der Meristemschicht statt. Zellelongation: Dies findet in der submeristematischen Zone statt. 25. The development of the flower can be explained by the action of different homeotic genes, referred to as A–, B– and C–functions. A–function controls the development of sepals and petals, B–function the development of petals and stamens, and C– function the development of stamens and carpels. a. What is the phenotype (=appearance) of flowers in which the A–function is missing? b. What is the phenotype of flowers in which the C–function is missing? c. What would be the phenotype of flowers in which all three functions are missing, and what inference does this have for the evolution of flower organs?

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Verlust der A-Funktion: Formation von Carpels anstelle von Sepals im Whorl 1 und Stamens anstelle von petals im Whorl 2 Verlust der C-Funktion:Formation von Petals anstelle von Stamens im Whorl 3 und eine Replazierung vom Whorl 4 durch eine neue flower, sodass Whorl4 dieser Mutante durch Sepals ersetzt wird. (Beim Verlust der einzelnen Funktionen siehe auch „plant physiology“ Seite 564und 565) Ohne eine Funktion: Quadruple mutant plants: die floralen Organe entwickeln sich in pseudo-flowers, bzw. sie wer-den durch grüne Blätter ersetzt. Dies unterstützt die These, dass Blütenorgane hochmodifizierte Blätter sind, bzw. sich daraus entwickelt haben (Johann Wolfgang von Goethe 1749- 1832) 26. Glycolysis and mitochondrial respiration re mainly responsible for energy production in non-photosynthetic plant organs. a. What are the primary respiration substrates in: germinating seed cells (e.g., maize or canola)? leaf cells (e.g., mesophyll cells)? root cells? Keimende Samenzellen: Fette (Umwandlung von Fetten (Triaglycerole) zu Kohlenhydraten (Saccharose)) Blattzellen: Glucose, O2, H2O Wurzelzellen: Saccharose b. Describe two (of the three) aspects in which mitochondrial electron transport differs between plant and animals. Allgemein: Es findet bei diesen zusätzlichen Enzymen kein Protonentransport statt, sodass die Energiekonservierung kleiner ist. 1.) Rotenoninsensitive NAD(P)H-Dehydrogenase (Ca2+-abhängig) auf der Matrixseite der Membran. Diese können Elektronen direkt von NAD(P)H akzeptieren und geben diese weiter an den Ubiquinonpool. Dabei findet kein Protonentransport statt und der Komplex I, welcher Rote-non-sensitiv ist, wird übersprungen. Der Nutzen ist vor allem, wenn der Komplex I mit Elektronen überladen ist 2.) externe NAD(P)H-Dehydrogenase Ihre Funktion ist noch nicht genau geklärt: Regulation des NAD(P)H-pools? 3.) AOX alternative Oxidase Sie akzeptiert Elektronen direkt von Ubiquinon und ist, ungleich zur Cytochrom c Oxidase insensitiv zu Cyaniden, Aziden und Kohlenstoffmonooxid. Sie transferiert Elektronen direkt auf Sauerstoff und Wasser entsteht. Die Funktion ist: Sicherheitsventil bei E-nergieüberfluss. Die Energie wird hierbei als Wärme abgegeben. 27. Gibberellins (GA), abscisic acid (ABA), cytokinins and ethylene (C2H4) have different functions during plant development. a. For each hormone, please describe two processes (briefly) that are controlled by the hormone.

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a) Gibberellin (GA): 1. Über einen von GA ausgelösten Signaltransduktionsweg wird die Mobili sierung von Enzymen im Stärkeabbau während der Samenkeimung kontrolliert. 2. GA steuert das Längenwachstum der Pflanze über einen Signal- transduktions-weg Abscisinsäure (ABA): 1. ABA ist am Schliessen von Stomata über einen Signaltransduktionsweg beteiligt. 2. ABA ermöglicht durch hohe Konzentrationen, lange Ruhephasen von Samen (seed dormancy) Cytokinin (CK): 1. Durch einen Eingriff in den Zellzyklus steuert es das Wachstum 2. CK verzögert die Blattalterung 3. CK wirkt nebst Faktoren wie Licht, Nahrung… regulativ an der Synthese von photosyn thetischen Pigmenten und Proteinen.

Ethylen (C2H4): 1. Die Reifung von Früchten wird durch Ethylen strk gefördert. 2. Ethylen inhibiert die Elongation vom Epicotyl und fördert das Dickenwachstum (ra dial swelling) (p 524/5/6) b. Which of the hormones show antagonistic interactions? Hormon Antagonist Ethylen Cytokonin ABA GA 28. Describe the development and organization of the plant female gametophyte. Entwicklung: In der Megasporogenese entwickeln sich aus der Megasporenmutterzelle, welche durch die Samenanlage geschützt ist, durch eine Meiose vier meiotische haploide Produkte. Von diesen Zellen sterben drei ab und eine wird zur Megaspore. Bei der anschliessenden Megagametoge-nese werden aus der Megaspore durch drei mitotische Teilungen acht haploide Zellen, die durch ihre Anordnung und der Samenanlage den weiblichen Gametophyten (Embryosack) bilden. Organisation:

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29. Plants use both NADH and NADPH as redox molecules. a. Which biochemical processes use NADH or NADPH? NADH NADPH Hat vor allem Funktion als Elektronenträger in katabolischen Reaktionen welche ATP her-stellen (Cell)

Operiert hauptsächlich mit Enzymen für anabo-lische Reaktionen (Cell 85,86)

+ Zitronensäurezyklus (fast überall) + C2-oxidativer photosynthetischer Zyklus (im Peroxisom und im Mitochondrium) + Elektronentransportkette (Beim Mitochondri-um) + Fermentationen (Alkohol-Fermentation, Milchsäuregärung,) + Glykolyse (von Glyceraldehyd-3-Phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat und beim Übergang von Oxaloacetat zu Malat; Siehe Buch S.228) + Nitratassimilation

+Calvin Zyklus (Von 1.3-Bisphosphoglycerat zuGlyceraldehyd-3-phosphat) +Nitratassimilation (gleich wie NADH) +Oxidativer Pentosephosphatzyklus (Von G6P zu 6- Phosphogluconat und von dort zu Ribulo-se-5-Phosphat) +Reduktion in der Photosynthese (Am Schluss im Z-Schema Thylakoidmembran)

b. What is the difference between NADH and NADPH (Information aus Stryer und the Cell) Name NADH NADPH Struktur Struktur Hat eine 2’-Hydroxylgruppe bei

der Adenin moiety Die 2’-Hydroxlgruppe der Adenin moiety ist mit einem Phosphat verestert

Gebrauch Primär für die Synzhese von ATP; Respiration: Katabolismus

Fast nur für reduktive Biosynthesen; Photosynthese (stärkeres Redoxmole-

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kül): Anabolismus Energie Ähnlich die Phosphorgruppe dient eigentlich nur als tag, damit mit den richtigen

Enzymen interagiert wird. 30. What are the reaction products of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase with a. ribulose-1,5-bisphosphate and CO2? b. ribulose-1,5-bisphosphate and O2? a) Ribulose 1,5-bisphosphat + CO2 2 3-Phosphoglycerat b) Ribulose 1,5-bisphosphat + O2 3-Phosphoglycerat + 2-Phosphoglycolat 31. What is the primary fixation product of CO2 in C4 plants? C4-Säuren: Malat und/oder Aspartat (p158) 32. Assign the plant hormones abscisic acid (ABA), auxin (IAA), brassinosteroid (BR), cytokinin (CK), ethylene (C2H4), gibberellic acid (GA), jasmonic acid (JA) and salicylic acid (SA) to the following processes in which these hormones have a primary function: a. Development b. Cell elongation c. Fruit ripening d. Pathogen defense and resistance e. Seed dehydration f. Stomata opening and closing a ABA IAA BR CK C2H4 GA JA SA development (x)p423 x p423 (x)

p423 x p423 (x)

p423 x p423

cell elongation x x fruit ripening x x pathogen def. & res. x x seed dehydration x Stomataopening/closing

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33. Which problems do you expect to occur in plant mutants that cannot synthesize the following lipids? a) Phosphatidylcholine kommen bis auf Plastidenmembranen (geringer Anteil) in praktisch allen Membranen sehr zahlreich vor; hauptsächlich aber im ER und den Mitochondrien. Folglich wä-ren diese beiden Oragnellen in ihrer Funktion schwer beeinträchtig wenn nicht ganz funktions-los. Die Pflanzenmutante hätte geringe Überlebenschancen. b) Galactolipide bilden den Hauptbestandteil der Chloroplastenmembran. Die Galactolipid-Synthese-Mutanten weisen eine gestörte Tylakoidmembran auf und sind somit in ihrer Photo-syntheseaktivität erheblich beeinträchtigt. c) Fette und Öle werden hauptsächlich in Form von Triacylglycerinen gespeichert. In Triacylgly-cerin-Synthese-Mutanten hätten also einen äusserst geringen C-Speicher. Wachstumshem-mung und die Unfähigkeit von Samen zu keimen währe die Folge. 34. Metabolite pools in plant cells have important functions during photosynthesis and for the regulation of biochemical pathways. a. What are the primary functions of the hexose pools in the cytoplasm and in the chloroplast? a) Im Cytoplasma stellt der Hexosepool die Ausgangssubstrate für die Glycolyse dar. Sie wer-den dort zu organischen Säuren (Pyruvat) abgebaut. Sowohl im Cytoplasma als auch in den Chloroplasten stellt der Hexosepool die Substrate für den Pentosephosphatweg zur Verfügung. Somit sind die Hexosen also die ultimaten Substrate zur Gewinnung von Energie. b) Glycolyse, Pentosephosphatweg in Chloroplasten, Pentosephosphatweg im Cytoplasma, (Stärkesynthese b. Name three biosynthesis pathways for which the triose phosphate/pentosephosphate pool provides the substrates. b) Glycolyse, Pentosephosphatweg in Chloroplasten, Pentosephosphatweg im Cytoplasma, (Stärkesynthese 35. Name the three classes of molecules from which all known non-peptide plant hormones are derived. - Isoprenbiosynthese

Gibbrellinsäure (GA) Abscisinsäure (ABA) Cytokinine (CK) Brassinostereoide (BR)

- Aminosäuren Auxin (IAA, aus Tryptophan) Ethylen (aus Methionin) Salicylsäure (SA, aus Phenylalanin) Polyamine (aus Arginin)

- Lipide Jasmonsäure (JA, aus Linolea

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36. Explain using a simple schematic drawing how the combinatorial action of the three genetically identified functions of the Arabidopsis floral meristem (A-, B- and Cfunction) can regulate the development of the flower into sepals, petals, anthers and the gynoecium. Siehe Frage 25

Wirtel 1 2 3 4 Gene -------------B------------ ----------A------------ -----------C------------ Struktur Kelchb. Blütenb. Staubb. Fruchtb. Der C-Funktionsverlust resultiert in der Erweiterung der A-Funktion über das ganze Blütenme-ristem: 1 Kelchb. 2 Blütenb. 3 Blütenb. 4 Kelchb. Der A-Funktionsverlust resultiert in der Erweiterung der C-Funktion über das ganze Blütenme-ristem: 1 Fruchtb. 2 Staubb. 3 Staubb. 4 Fruchtb. Der B-Funktionsverlust resultiert in der Expression von nur der A- und C-Funktion: 1 Kelchb. 2 Kelchb. 3 Fruchtb. 4 Fruchtb. 37. The apical shoot meristem contains the L1, L2 and L2 cell layers. Siehe Frage 23 a. Which tissues develop from the three layers? Aus L1-Schicht: Epidermis Aus L2-Schicht: Cortex Aus L3-Schicht: Cortex und Gefässstrukturen

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. b. What is the orientation of cell division in the three layers relative to the meristem surface? L1- und L2-Schicht: antikline Teilung; dh. Neue Zellwand senkrecht auf Meristemschicht. L3-Schicht: Willkürliche Teilung; dh. antikline & perikline Teilung c. In which layer do you find the quiescent center (= stem cells)? Das quiscent center befindet sich im apikalen Sprossmeristem und betrifft alle drei Schichten. Jede Schicht hat ihre eingenen Stammzellen 38. During illumination the thylakoid lumen has a pH value of 5 (pH5), and the stroma side of the thylakoid membrane has a pH value of 8 (pH8). Without illumination, the pH difference disappears. Siehe Frage 3 a. Which enzyme complex is responsible for the pH gradient in the chloroplast? Der Cytochrom b6f-Komplex befördert zwei H+ vom Storma ins Lumen. Aber auch das PSII er-höht den H+- Gradienten durch die Oxidation von Wasser dadurch, dass die entstehenden H+ im Lumen gebildet werden. In der Elektronenkette nach dem PSI wird NADP+ durch Ferredoxin und Ferredoxin-NADP-Reductase in Stroma zu NADPH reduziert. Dadurch wird die H+-Konzentration im Stroma weiter verringert und so der H+-Gradient vergrössert. b. Explain the disappearance of the pH gradient in the dark. Solange Lichtenergie den Elektronentransport in Gang hält, können die ATP Synthasen, welche ihre Energie vom H+-Gradienten bezeihen, diesen nicht aufbrauchen. Wenn keine Lichtenergie mehr zugeführt wird, wird der H+-Gradient nur noch verkleinert, jedoch nicht mehr neu gebildet, da Elektronentransportkette zum erliegen kommt. Die ATP Synthase läuft dann noch so lange, bis der Gradient ganz verschwunden ist. 39. Auxin (indole-3-acetic acid, IAA) is synthesized in the shoot apical meristem. Thepolar transport of IAA from cell to cell (chemiosmotic model) establishes an auxin gradient in the plant. Describe a simple experiment in which you can demonstrate the polar transport of labeled IAA. Donor-Reciever Agarblock Methode: Ein Agarblock mit radioisotop-gelabeltem Auxin (Do-norblock) wird an einem Ende des Hypokotyls, ein anderer, leerer Block (Receiverblock) wird am anderen Ende plaziert. Ist der Donorblock beim apikalen Ende angesiedelt, gelangt Auxin zum Receiverblock, ist der Donorblock beim basalen Ende angesiedelt, gelangt kein Auxin zum Re-ceiverblock.

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Apikales Ende A

Basales Ende B

Transport möglich

Kein Transport

Agarpfropfen mit radioak-tivmarkiertem Auxin