Pflanzenfortpflanzung und Lebenszyklen: Ein umfassender Leitfaden

Der Lebenszyklus von Pflanzen: Fortpflanzung

Die Fortpflanzung von Pflanzen weist grundsätzlich zwei Formen auf:

Sexuelle Fortpflanzung

Hierbei vereinigen sich spezialisierte Zellen, die Gameten, in einem Prozess namens Befruchtung, um eine Zygote zu bilden.

Vorteile der sexuellen Fortpflanzung

• Ermöglicht genetische Vielfalt durch genetische Rekombination.
• Führt zu neuen Genotypen in nachfolgenden Generationen.

Asexuelle Fortpflanzung

Neue Pflanzen entstehen aus einer oder mehreren Vorläuferzellen.

Nachteile der asexuellen Fortpflanzung

• Es entsteht ein Klon, d.h., die Individuen sind genetisch identisch mit der Mutterpflanze.

Vorteile der asexuellen Fortpflanzung

• Sie ist am schnellsten.
• Benötigt nur ein Individuum.
• Ermöglicht die schnelle Besiedlung von Gebieten.

Haploide Phase (Gametophyt)

Diese Generation wird als Gametophyt bezeichnet. Sie beginnt mit einer haploiden Spore und endet mit der Bildung der Gameten. Es gibt verschiedene Typen von Gameten:

• Männlich: Spermien
• Weiblich: Eizelle

Diploide Phase (Sporophyt)

Diese Generation wird als Sporophyt bezeichnet. Sie beginnt mit der diploiden Zygote und endet, wenn in den Sporangien haploide Sporen durch Meiose produziert werden.

Der Lebenszyklus der Spermatophyten

Spermatophyten sind Gefäßpflanzen, die Samen bilden und alle terrestrische Lebensräume besiedeln. (Man beobachtet hier nur die Sporophyten-Pflanze).

Lebenszyklus der Gymnospermen: Die Kiefer

Gymnospermen sind Pflanzen mit nackten Samen. Die Bestäubung erfolgt durch den Wind. Die Kiefer ist im Allgemeinen ein Nadelbaum, der in kalten Regionen wächst.

Männliche Blüten (Zapfen)

Die männlichen Blüten sind klein und treten in Gruppen auf. Jede Bildung besteht aus einer Anzahl von Schuppen, die Mikrosporophylle genannt werden und Pollensäcke tragen. Zu Beginn des Frühlings findet in den Pollensäcken die Meiose statt, und es entstehen die Pollenkörner, die die Bildung des männlichen Gametophyten initiieren.

Weibliche Zapfen

Die weiblichen Zapfen sind größer und bestehen aus einer Reihe von samenbildenden Schuppen, die spiralförmig um die zentrale Achse des Zapfens angeordnet sind. An der Basis jeder Schuppe befinden sich zwei Samenanlagen. Jede Samenanlage enthält einen Nucellus, der von einer Hülle umgeben ist, die eine Öffnung, die Mikropyle, aufweist.

Bestäubung und Befruchtung bei der Kiefer

Im Frühjahr erfolgt die Bestäubung: Die Pollenkörner werden vom Wind zu den Samenanlagen transportiert. Der Pollen haftet an einem klebrigen Flüssigkeitstropfen, der aus der Mikropyle austritt. Wenn die Flüssigkeit verdunstet, erreicht das Pollenkorn die Mikropyle, keimt und bildet einen Pollenschlauch. Einen Monat später durchläuft eine Zelle des Nucellus die Meiose und bildet vier Megasporen. Nur eine davon entwickelt sich zu einem weiblichen Gametophyten; die anderen degenerieren. Der weibliche Gametophyt enthält zwei bis drei Archegonien, von denen jedes eine Eizelle enthält. Währenddessen vollendet der männliche Gametophyt seine Entwicklung, und sein Pollenschlauch bahnt sich seinen Weg durch den Nucellus. Schließlich erreicht er den weiblichen Gametophyten und gibt zwei Spermazellen in ein Archegonium ab. Eine davon degeneriert, die andere befruchtet die Eizelle und führt zur Bildung einer Zygote. Diese entwickelt sich zu einem Embryo, der im Samen eingeschlossen bleibt. Gleichzeitig mit der Embryobildung werden die restlichen Zellen des Embryosacks zum Endosperm. Die befruchtete und gereifte Samenanlage ist nun ein Samen.

Der Lebenszyklus der Angiospermen

Angiospermen sind Pflanzen, deren Samen in Blüten und Früchten eingeschlossen sind.

Die Blüte

Die Blüte bildet sich aus den apikalen Meristemen des Sprosses und begrenzt deren Wachstum. Sie dient der sexuellen Fortpflanzung und umfasst:

• Kelch: Gebildet aus den Kelchblättern.
• Krone: Gebildet aus den Blütenblättern.
• Perianth: Gebildet aus Kelch und Krone.
• Androeceum: Gebildet aus den Staubblättern.
• Gynoeceum: Gebildet aus einem oder mehreren Fruchtblättern.

Klassifizierung von Blüten

• Zwitterblüte: Enthält sowohl Staubblätter als auch Fruchtblätter.
• Eingeschlechtliche Blüte: Hat entweder nur Staubblätter (männliche Blüte) oder nur Fruchtblätter (weibliche Blüte).
• Monözisch: Eine Pflanze trägt sowohl männliche als auch weibliche eingeschlechtliche Blüten (z.B. Gurke, Walnuss und Haselnuss).
• Diözisch: Eine Art, bei der einzelne Pflanzen entweder nur männliche oder nur weibliche eingeschlechtliche Blüten tragen (z.B. Spinat, Spargel, Weide).
• Polygam: Ein einzelnes Individuum hat sowohl eingeschlechtliche als auch zwittrige Blüten (z.B. Rotahorn und Johannisbrotbaum).
• Apetal: Ohne Blütenblätter.
• Asepal: Ohne Kelchblätter.
• Nackt: Hat weder Blütenblätter noch Kelchblätter.

Aufbau der Blüte

Die Kelchblätter sind klein und bilden den Kelch. Die Blütenblätter bilden die Krone und umgeben die Staubblätter. Die Staubblätter und Fruchtblätter sind Sporangien.

Staubblatt

Jedes Staubblatt besteht aus einem dünnen Filament, das in einem verdickten Teil, der Anthere, endet. Die Antheren sind in zwei Hälften geteilt, jede mit zwei Pollensäcken, in denen durch Meiose der männliche Gametophyt (Pollen) gebildet wird.

Fruchtblatt

Jedes Fruchtblatt besteht aus einem Fruchtknoten, in dessen Innerem sich die Samenanlagen befinden, einem verlängerten Griffel und einer Narbe an seinem Ende, die der Pollenempfänger ist. Die zukünftigen Samenanlagen sind an der Fruchtknotenwand durch den Funiculus befestigt, über den sie Nährstoffe erhalten. Sie bestehen aus dem Nucellus, der von zwei Hüllen, den Integumenten, umgeben ist. Diese lassen eine Öffnung, die Mikropyle, durch die der Pollenschlauch eintritt.

Phasen im Lebenszyklus der Angiospermen

Gametenbildung

Im Nucellus entsteht aus einer diploiden Mutterzelle eine haploide Megaspore (drei degenerieren). Diese Megaspore durchläuft drei mitotische Teilungen, wodurch acht Kerne und schließlich sieben Zellen entstehen, die den weiblichen Gametophyten bilden. In den Staubblättern entstehen Hunderttausende von Pollenmutterzellen, von denen jede durch Meiose vier haploide Mikrosporen bildet. Im Pollensack teilt sich der Pollen-Gametophyt in eine vegetative Zelle und eine generative Zelle.

Bestäubung

Der Pollen gelangt von einer Anthere auf eine Narbe.

• Selbstbestäubung: Wenn der Pollen von einer Anthere einer Blüte auf die Narbe derselben Blüte oder einer anderen Blüte derselben Pflanze übertragen wird.
• Fremdbestäubung (Kreuzbestäubung): Wenn der Pollen von einer Anthere einer Blüte auf die Narbe einer Blüte einer anderen Pflanze derselben Art übertragen wird.

Bestäubungsarten

• Windbestäubung: Die einfachste, aber auch die aufwendigste Methode, da große Mengen Pollen produziert werden müssen, um sicherzustellen, dass zumindest ein Teil davon auf einer Narbe landet.
• Insektenbestäubung: Komplexer, aber effektiver, da Pflanzen an die Insekten angepasst sind und die Blüten durch ihre bunten Blütenblätter und den Duft des Nektars angelockt werden.
• Wasserbestäubung: Ein Ausnahmefall, selbst bei Pflanzen, die im Wasser wachsen, da der Pollen bei Nässe in der Regel inaktiv wird.

Doppelte Befruchtung

• Eizelle (n) + Spermazelle (n) = Embryo oder Zygote (2n)
• 2 polare Kerne (n+n) + Spermazelle (n) = Endosperm (3n)

Samenentwicklung

Nach der doppelten Befruchtung werden drei Prozesse gestartet:

1. Die Zygote entwickelt sich und bildet den Embryo, einen Miniatur-Keimling, der aus drei Teilen besteht: Keimwurzel, Keimspross und Keimblättern (ein Keimblatt bei Monokotyledonen und zwei bei Dikotyledonen).
2. Das Endosperm dient als Nährstoffquelle für die Embryonalentwicklung und in vielen Fällen auch für den Keimling. Bei der Embryoentwicklung werden alle oder die meisten Reservestoffe in den Keimblättern gespeichert, die dann in eine Ruhephase eintreten.
3. Die Samenschalen spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ruhephase, die durch eine geringere Stoffwechselaktivität und Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen gekennzeichnet ist. Bei einigen Arten wirken sie als mechanische Barriere, die das Eindringen von Wasser und Gasen verhindert, wodurch die Samenkeimung nicht möglich ist.

Fruchtbildung

Die Frucht

Die Frucht ist ein gereifter Fruchtknoten. Die Samen der Blüte und der Fruchtknoten entwickeln sich gleichzeitig. Die Fruchtknotenwand wird zum Perikarp, das aus drei Schichten besteht:

• Exokarp: Äußere Schicht
• Mesokarp: Mittlere Schicht
• Endokarp: Innere Schicht

Fruchttypen

• Sammelfrucht: Gebildet aus mehreren getrennten Fruchtblättern derselben Blüte (z.B. Erdbeere).
• Fruchtverband: Gebildet aus einer Gruppe von Blüten oder Blütenständen (z.B. Feige).

Die Hauptfunktion der Frucht ist die Verbreitung der Samen.

Samenkeimung

Die erste Struktur, die aus den Samenschalen herauskommt, ist die Keimwurzel. Ihr zartes Sprossmeristem ist durch eine Kalyptra (Wurzelhaube) geschützt, eine Zellmasse, die wie ein Fingerhut hilft, in den Boden einzudringen.

Keimungstypen

• Epigäische Keimung: Das Hypokotyl verlängert sich und hebt die Keimblätter sowie die apikale Knospe über den Boden. Die Keimblätter werden zu den ersten photosynthetischen Organen (z.B. Bohnen und Zwiebeln).
• Hypogäische Keimung: Die Keimblätter bleiben unterirdisch, und die Verlängerung des Epikotyls hebt die Knospe über den Boden (z.B. Mais und Weizen).

Pflanzliche Strukturen für die asexuelle Fortpflanzung

• Zwiebeln: Kurze, verdickte Stängel, umgeben von vielen fleischigen, modifizierten Blättern (Niederblättern), die Reservestoffe speichern. Sie sind von trockenen Blättern umhüllt, um Austrocknung zu vermeiden (z.B. Zwiebel und Tulpe).
• Knollen (Cormus): Ähnlich wie Zwiebeln, aber massiv. Sie haben eine Scheibenform und es fehlen die fleischigen Blätter der Zwiebeln (z.B. Safran und Gladiolen).
• Ausläufer: Horizontale, kriechende Stängel mit langen Internodien, die bei Bodenkontakt neue, potenziell unabhängige Pflanzen bilden können (z.B. Erdbeeren).
• Rhizome: Unterirdisch gelagerte, horizontale Stängel, die Reservestoffe speichern (z.B. Bambus).
• Knollen: Verdickte Rhizome, die große Mengen an Reservestoffen speichern (z.B. Kartoffel).

Anwendungen der asexuellen Fortpflanzung in der Landwirtschaft

• Stecklinge: Eine Methode zur Vermehrung von Sträuchern und Zimmerpflanzen mittels Stecklingen (Stängel- oder Blattstecklinge). Diese können hellem, aber niemals direktem Licht ausgesetzt werden, während die Wurzeln im Dunkeln bleiben sollten. Es ist ratsam, Wurzelhormone zur Förderung der Wurzelbildung zu verwenden.
• Veredelung: Eine Methode der vegetativen Vermehrung bei holzigen Pflanzen. Sie besteht darin, Teile einer Pflanze (Pfropfreis) auf eine andere Pflanze (Unterlage) zu setzen, sodass sich die Leitgewebe der beiden Pflanzen verbinden und eine neue Pflanze bilden.
• Absenker: Eine weit verbreitete Methode der vegetativen Vermehrung bei Zierpflanzen, bei der ein Teil des Triebs teilweise im Boden vergraben wird, bis die Pflanze Wurzeln bildet und eine neue Pflanze entsteht.

Neue Techniken der asexuellen Fortpflanzung

• In-vitro-Kultur: Die Kultivierung von Zellen, Geweben oder wachsenden Sprossmeristemstücken unter sterilen Bedingungen im Labor.