Grundlagen der Pflanzenphysiologie

Wurzeldruck und Guttation

Wurzeldruck bezeichnet die Wasseransammlung im Gewebe der Wurzel, die eine Spannung auf den Xylemsaft erzeugt und ihn vertikal nach oben drängt. Guttation ist ein typisches Phänomen in tropischen Dschungeln, bei dem Wasser in flüssiger Form aus den Blättern austritt.

Gasaustausch: Spaltöffnungen

Spaltöffnungen sind spezialisierte Strukturen der Epidermis, die von zwei nierenförmigen Zellen, den Schließzellen, gebildet werden. Diese Schließzellen definieren einen Raum zwischen sich, die Ostiole.

Funktion der Spaltöffnungen

Nach dem Eintritt durch die Ostiole diffundiert CO2 in die Interzellularen des Gewebes, in die Zellen und in die Chloroplasten, wo Sauerstoff bei der Photosynthese produziert wird. Durch die Spaltöffnungen verlieren Pflanzen auch Wasserdampf. Die Kontrolle des Öffnens und Schließens der Spaltöffnungen ist entscheidend für das Gleichgewicht zwischen Wasserverlust und Gasaustausch.

Mechanismus der Spaltöffnungsbewegung

Wenn die Pflanze CO2 benötigt, wird in den Spaltöffnungen eine Protonenpumpe aktiviert. Diese Pumpe wirft Protonen in den extrazellulären Raum aus, was ein Defizit an positiven Ladungen in den Zellen erzeugt. Dies wird durch den Eintritt von Kalium-Ionen kompensiert, wodurch die intrazelluläre Konzentration von gelösten Stoffen erhöht wird. Dies führt zu einem osmotischen Wassereinstrom in die Schließzellen, wodurch sie sich öffnen. Bei starkem Wasserverlust durch Transpiration, der nicht durch die Wasseraufnahme der Wurzeln ausgeglichen werden kann, schließen die Spaltöffnungen, um das Überleben der Pflanze zu sichern.

Regulierende Faktoren

Dieser Mechanismus wird von der Pflanze unter anderem durch die Abscisinsäure reguliert. Weitere Faktoren sind:

• Temperatur: Hohe Temperaturen fördern die Zellatmung und verursachen einen Anstieg der CO2-Konzentration zwischen den Mesophyllzellen. Diese Reaktion ist von großer biologischer Bedeutung, um übermäßigen Wasserverlust zu vermeiden, der bei sehr hohen Temperaturen auftreten würde.
• Licht: Licht aktiviert die Photosynthese, was zu einem erhöhten CO2-Verbrauch führt und den Mechanismus der Stomataöffnung auslöst.

Lentizellen

Lentizellen sind kleine Unebenheiten im Korkgewebe von Stämmen und Ästen von Gehölzen, die ebenfalls dem Gasaustausch dienen.

Photosynthese

Die Photosynthese ist ein anaboler Prozess, dessen Aufgabe es ist, Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln. Diese Energie wird zur Synthese organischer Moleküle (z.B. Glucose) aus anorganischen Verbindungen wie CO2 und Wasser genutzt, wobei Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Die Photosynthese umfasst zwei Hauptphasen:

Lichtabhängige Reaktionen

Sie findet in den Thylakoiden der Chloroplasten statt. Lichtstrahlen regen Elektronen in den Chlorophyllmolekülen an und heben sie auf ein höheres Energieniveau. Einige dieser energiereichen Elektronen werden auf eine Elektronentransportkette von Molekülen übertragen. Die dabei freigesetzte überschüssige Energie wird vom Enzym ATP-Synthase zur Produktion von ATP genutzt. Die verbleibenden Elektronen werden auf NADP+ übertragen, das zu NADPH (reduzierte Form) reduziert wird. Chlorophyll ersetzt die verlorenen Elektronen durch die Spaltung von Wasser, wobei Sauerstoff freigesetzt wird.

Lichtunabhängige Reaktionen (Calvin-Zyklus)

Sie findet im Stroma der Chloroplasten statt und umfasst eine Reihe chemischer Reaktionen, bekannt als Calvin-Zyklus. Dabei wird Glucose aus CO2 und Wasser synthetisiert. Die für die Synthese benötigte Energie und Reduktionskraft werden von ATP und NADPH aus der Lichtreaktion geliefert. Der erste Schritt ist die Fixierung von CO2. Diese Reaktion wird durch das Enzym RuBisCO katalysiert und ist bemerkenswert, da RuBisCO das häufigste Protein der Erde ist.

Zellatmung

Die Zellatmung ist ein kataboler Prozess, der Sauerstoff benötigt und dessen Funktion der Abbau organischer Substanzen ist, um die in deren Verbindungen gespeicherte Energie zu extrahieren. Sie findet in den Mitochondrien statt.

Ausscheidung

Ausscheidung ist die Beseitigung von Stoffen, die für den Organismus unbrauchbar oder schädlich sind.

Sekretion

Sekrete hingegen sind Stoffe mit physiologischer Bedeutung, die vom Organismus abgegeben werden. Beispiele für Sekretion sind Harze, Düfte, Nektar und Latex.

Phytohormone

Phytohormone sind chemische Stoffe unterschiedlicher Natur, die von wenig differenzierten Geweben wie Meristemen oder embryonalen Geweben produziert werden und zu Zielorganen transportiert werden, um dort ihre Funktion auszuüben.

Tropismen

Tropismen sind langsame und dauerhafte Wachstumsbewegungen von Pflanzen, deren Richtung vom Reiz abhängt. Sie können positiv (zum Reiz hin) oder negativ (vom Reiz weg) sein.

• Plagiotropismus

  Geneigte Bewegung, die von der unterschiedlichen Verteilung der Pflanzenhormone abhängt.

• Phototropismus

  Pflanzenwachstum, das durch Licht ausgelöst wird.

• Gravitropismus

  Pflanzenwachstum, das durch die Richtung der Schwerkraft beeinflusst wird.

• Thigmotropismus

  Pflanzenwachstum, das durch den Kontakt mit einem festen Objekt angeregt wird.

• Chemotropismus

  Pflanzenwachstum, das durch die Anwesenheit chemischer Substanzen verursacht wird.

Nastien

Nastien sind schnelle und reversible Bewegungen der Pflanze als Reaktion auf einen externen Faktor, wobei die Bewegungsrichtung im Gegensatz zu Tropismen nicht von der Reizrichtung abhängt.

• Thermonastie

  Bewegung, die durch Temperaturänderungen verursacht wird.

• Fotonastie

  Bewegung, die durch Lichtänderungen verursacht wird.