Phytotronik

Kurioses aus Botanik, Züchtung und Vererbung IV

Rolf Schlegel

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783746013176
• eBook-ISBN: 9783746038575
• Auflage: 1
• Thema: Biological Sciences
• Thema: Botany

Mehr als zweitausend Jahre Praxis, Entwicklung und Forschung an Pflanzen bieten genügend Stoff für Anekdoten, kuriose Begebenheiten und sachgemäße Information. Die kurzweilig geschriebenen Kapitel zu vor allem züchterisch-genetischen Inhalten geben Anlass zum Staunen und Schmunzeln, aber auch zum Nachdenken! Die souveräne Auswahl der Themen, Sortierung und ihre prägnante Abhandlung lassen Sachverstand und nötiges Einfühlungsvermögen des Autors erkennen.

Physiologie

Raub des Mitochondriums

Das pralle Leben auf der Erde basiert auf mikroskopisch kleinen „Maschinen“ der Pflanzen – den Photosystemen. Rund 700 Mrd. Tonnen Kohlenstoff stecken insgesamt in allen lebenden Organismen der Erde. Das hat jüngst eine deutschamerikanische Forschergruppe berechnet. Gleichsam den industriellen Kraftwerken produzieren die so genannten Chloroplasten mittels des Chlorophylls aus Sonnenlicht und Kohlendioxid der Luft Sauerstoff und Energie (vgl. Abb. 20).

Abbildung 20: Chloroplasten in einer pflanzlichen Zelle. Ort der Photosynthese und Energiegewinnung aus dem Sonnenlicht, Quelle: verändert nach [501

Der Chloroplast ist eine Organelle in den Blättern der Pflanze. Das Prinzip der Photosynthese wurde bereits vor 3,4 Mrd. Jahren „erfunden“. In den seichten Gebieten der einstigen Ozeane passten sich einzellige Lebewesen in unterschiedlichster Weise den Lebensbedingungen an. Eine Analyse von fossilen Mikroben ergab, dass sie schon urzeitliche Meeresstrände bedeckten.

Jede Kalorie, die der Mensch über das Essen zu sich nimmt, hat einmal eine Pflanze zu Beginn der Nahrungskette aus Sonnenenergie erzeugt!

Fossile Schwefelbakterien wurden im Jahr 2011 in Australien nachgewiesen. In der Urzeit enthielt die Atmosphäre noch nahezu keinen Sauerstoff und die Umgebung kaum nutzbaren Kohlenstoff. Dennoch lieferten die beiden Schlüssel-Substanzen des Lebens den Organismen bereits die erforderlichen Bausteine der Photosynthese. Noch heute zeugen die Stromatolithen vor der Küste Australiens von dieser Lebensform. Unser Mond, der die Gezeiten, d. h. Ebbe und Flut bedingt, hat daran einen großen Anteil. Ohne diese hätte sich vermutlich kein Leben an Land entwickeln können.

Bis vor kurzem wurde vermutet, dass das Chlorophyll A die häufigste Variante in grünen Pflanzen ist. Nur dieses sollte in der Lage sein, die chemische Fabrik der Zelle in Gang zu halten. Seit kurzem weiß man, dass das Chlorophyll D eines speziellen Cyanobakteriums ebenfalls die oxigene Photosynthese ermöglicht. Eine gezielte Suche führte daraufhin zu einer Reihe weiterer Organismen, die dieses Pigment enthalten. In den o. ä. Stromatolithen, d. h. Algenmatten, die zu den ältesten Ökosysteme der Erde gehören, konnten im Jahr 2010 sogar Organismen mit einem noch anderen Chlorophyll-Molekül nachgewiesen werden. Es ist das Chlorophyll F, das langwelliges Infrarotlicht absorbiert. Mit diesem sind nun fünf Varianten des Chlorophylls bekannt.

Es entstanden also Sauerstoff-abhängige und Sauerstoffunabhängige Organismen. Die Unabhängigen verwendeten für ihren Metabolismus Kohlendioxid und Wasserstoff und produzierten das Energie spendende Molekül Adenin-trisphosphat (ATP) über einen biochemischen Prozess, den man Methanogenese nennt. Wasserstoff entwich jedoch in die Stratosphäre, so dass es zu einem Wasserstoffmangel kam. Im Gegensatz dazu produzierten die Sauerstoff-abhängigen Organismen die beiden notwendigen Gase. Sie waren in der Lage, durch Atmung und Glykolyse ATP zu produzieren.

Die Symbiose beider Systeme war evolutionär von Vorteil und setzte sich durch. Der Sauerstoff-unabhängige Organismus, d. h. der „Wirt“, verleibte sich nach und nach den Symbionten vollständig ein, und das sog. Mitochondrium entstand. Der Wirt verlor schrittweise das Vermögen, Methan zu produzieren, da er nun auch Energie in Form von ATP des Symbionten erhielt. So kam es zu einer Abnahme des Methangehaltes in der Atmosphäre.

Ein weiterer Umstand war der, dass zu jener Zeit der Sauerstoffgehalt der Umgebung sehr gering war. In dem Urozean gab es einen Organismus, das Cyanobakterium. Er konnte aus Licht und Kohlendioxid organische Substanzen und Sauerstoff produzieren.

Die Symbiose des Cyanobakteriums mit dem Mitochondrium hatte den Vorteil, dass der Kohlenstoff aus dem Mitochondrium direkt in Sauerstoff umgesetzt werden konnte, welcher für die Atmung notwendig war. Neuere Befunde zeigen sogar, dass die Mitochondrien aus Wasserstoff erzeugenden Bakterien hervorgegangenen sind, die sich die Urzellen einst einverleibt haben. So entstand mit großer Wahrscheinlichkeit der Chloroplast (vgl. Abb. 20). Da Licht und Kohlendioxid in großen Mengen vorhanden waren, führte die neue Art der Symbiose zu einer Effizienzsteigerung der Photosynthese. Sauerstoff wurde im Überschuss produziert.

Im Jahr 2010 haben amerikanische Wissenschaftler um Meng CHEN von der Duke University in Durham (USA) ein Gen identifiziert, das diesen Photosynthese-Prozess initiiert. Die lebenswichtigen Funktionen einer Pflanze wie Wachstum und Fortpflanzung sind vom Licht und somit der Photosynthese abhängig. Im Laufe der Evolution entwickelten die Pflanzen eine Reihe von sog. Photorezeptoren, die ihnen Informationen über die Qualität und die Menge des Lichts in der Umgebung vermitteln. Die Anregung der Photorezeptoren führt zur Aktivierung von Genen, die verschiedene Wachstums- und Entwicklungsvorgänge der Pflanze steuern. Fällt Licht auf die Pflanze, so wird das Gen „Hemera“ (benannt nach der griechischen Göttin des Tages) aktiviert.

Es wird ein Eiweiß gebildet, das eine Gruppe von Proteinen zellulär abbaut, die nach der Keimung nicht mehr benötigt wird. Verbleiben diese Proteine in der Zelle, wird der Pflanze weiterhin die Information vermittelt, sich im Dunkeln zu befinden. Das hat fatale Konsequenzen: Pflanzen ohne das Hemera-Gen wachsen zu spindeldürren Albinos heran, die nicht überleben. Zudem stellt man fest, dass das gleiche Protein die Bildung der Chloroplasten in den Keimlingen anregt (vgl. Abb. 11).

Optimierte Photosynthese

Der Mensch hat sich schon seit 10.000 Jahre in die Abläufe der Natur eingemischt. Nun werden sogar die grundlegenden Prinzipien der lebenden Materie in den Fokus der Regulierung gerückt. Es ist die Photosynthese. Sie war und ist die Basis der Pflanzenentwicklung und damit natürlich auch der tierischen Evolution.

Die Begründung passt in unsere Zeit: Im Jahr 2050 wird die Welt 9,5 Milliarden Menschen ernähren müssen – das können die Erträge herkömmlicher Kulturpflanzen nicht leisten. Da die Landnutzung nicht ausgeweitet werden kann, muss man die Photosynthese-Leistung der Kulturpflanzen gezielt erhöhen.

Die gentechnische Verbesserung der Photosynthese-Leistung der Kulturpflanzen ist das Mittel zum Zweck.

Man weiß bereits seit Jahren, wo man den Hebel ansetzen müsste. Cyanobakterien könnten helfen. Sie bewerkstelligen eine effizientere Photosynthese als Pflanzen. Überträgt man ein bestimmtes Gen aus Cyanobakterien in Kulturpflanzen, dann lässt sich deren Leistung tatsächlich steigern. Jenes Gen trägt dazu bei, dass die Photosyntheserate um 30 Prozent erhöht wird. Die Cyanobakterien besitzen nämlich spezielle Farbstoffe für die Photosynthese. Mit denen kann mehr Energie aus den Sonnenlicht gewonnen werden.

Alternativ oder ergänzend kann man die Lichtdurchlässigkeit der Blätter verändern. Gelingt es die oberen Blätter von Kulturpflanzen etwas transparenter zu machen, können tieferliegende Chloroplasten mehr Licht einfangen.

Etwas Wasser muss doch in den Wein gegossen werden. Selbst wenn es in den nächsten Jahren gelänge, einen gravierenden Durchbruch zu erreichen, wird es sicherlich noch weitere 15 Jahre dauern bis man derart gentechnisch veränderte Pflanzen auf den Felder sehen wird. [74]

Ob mit dieser Strategie die Ernährungsprobleme der Menschheit gelöst werden, bleibt unsicher. Viele seriöse Wissenschaftler meinen, dass der Hunger in vielen Regionen der Erde kein landwirtschaftliches Problem ist, sondern ein Verteilungsproblem von Nahrungsgütern!

Das pflanzliche INTERNET

Es ist eine Informationsautobahn, es beschleunigt die Wechselbeziehungen zwischen einer großen und vielgestaltigen Population. Es erlaubt Individuen, die weit voneinander getrennt sind, zu kommunizieren und sich gegenseitig zu helfen. Aber es erlaubt auch neue kriminelle Formen.

Nein, wir reden nicht über das INTERNET, wir reden über Pilze. Während Pilze meist nur über ihre Fruchtkörper bekannt wurden, bestehen sie doch aus einer Masse von dünnen Fäden, die als Myzelium bezeichnet werden. Inzwischen weiß man, dass diese Fäden eine Art Untergrund-INTERNET sind, die häufig mit den Wurzeln von Pflanzen assoziieren.

Je mehr man über diese Untergrundnetze hinzulernt, desto mehr müssen man seine Vorstellungen über Pflanzen neu ordnen. Sie sitzen nicht nur ruhig da. Durch die Verknüpfung der Pflanze mit dem Pilznetz können sie ihren Nachbarn helfen, indem sie Nährstoffe und Informationen teilen oder andersartige Pflanzen bekämpfen, indem sie toxische Stoffe durch das Netzwerk verbreiten. Dieses „Plant Wide Web“ hat sogar seine eigene Art von „Cyberkriminalität“ hervorgebracht.

Rund 90 Prozent der Landpflanzen gehen symbiontische Beziehungen mit Pilzen ein. Der deutsche Biologe Albert Bernard FRANK (1839–1900) prägte das Wort „Mykorrhiza", die die Partnerschaft zwischen Pilz und Pflanzenwurzel beschreibt.

Durch die Mykorrhiza liefern Pflanzen den Pilzen Nahrung in Form von Kohlenhydraten. Im Gegenzug helfen die Pilze den Pflanzen bei der Aufnahme von Wasser sowie schwer zugänglichen Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff, sowie auch Spurenelementen. Seit den 1960er Jahren ist es klar, dass die Mykorrhizen den Pflanzenwuchs befördert, u. a. auch das Immunsystem.

Gegenseitige Hilfe

Das ist noch nicht alles. Die Mykorrhiza verbindet auch Pflanzenteile, die weit voneinander getrennt sein können. Es konnte mittlerweile gezeigt werden, dass die Douglasie und die Papierbirke Kohlenstoff über Myzelien transportieren. Andere Pflanzen machen das auch mit Stickstoff und Phosphor. Es gibt zudem Belege, dass große bzw. ältere Bäume jüngeren helfen. Viele Sämlinge würden ohne diese Unterstützung nicht überleben. Dadurch wird die Population von Einzelbäumen in ihrer Gesamtheit gestärkt, was ein evolutionärer Vorteil sein kann.

Die Mykorrhiza hilft auch bei der Abwehr von schädlichen Pilzen. Wird die Pflanze befallen, gibt sie chemische Signale in das Myzel, um so ihre Nachbarn zu warnen. Das wurde beim Befall von Tomaten mit dem Pilz Alternaria solani belegt. Ähnliches wurde bei Bohnen beobachtet, die durch Blattläuse attackiert wurden.

Abbildung 21: Cephalanthera austiniae ist eine Orchideenart aus der Gattung der Waldvöglein, heimisch in den westlichen USA und Kanada; Quelle: Wikipedia, 2017

Cyberkriminalität

Ähnlich wie das durch Computer gestützte INTERNET hat auch das pilzliche INTERNET seine dunkle Seite. Zum einen stehlen manche Pflanzen via „PILZNET“ anderen Pflanzen die Nahrung. Chlorophylllose Schmarotzerpflanzen wie die Phantom-Orchidee (Cephalanthera austiniae) beziehen so Kohlenstoff von nahe gelegenen Bäumen (Abb. 21).

Andere Orchideen stehlen nur gelegentlich. Man nennt das „mixotroph“, d. h. sie können noch Photosynthese durchführen, beziehen aber den Kohlenstoff über das „PILZNET“.

Da Pflanzen ständig mit ihren Nachbarn um Wasser und Licht konkurrieren, kämpfen sie häufig auch mit unlauteren Mitteln. Sie entlassen zum Beispiel Chemikalien über die Mykorrhiza, die ihren Rivalen schaden. Das als Allelopathie bekannte Phänomen ist bei Akazien, Zuckerbeeren, amerikanische Sykomoren und verschiedene Eukalyptusarten sehr verbreitet. Eines der am besten untersuchten Beispiele für Allelopathie ist die amerikanische schwarze Walnussbaum (Juglans nigra). Sie hemmt das Wachstum von vielen Pflanzen, einschließlich Kartoffeln und Gurken, indem sie sog. Juglone über Blättern und Wurzeln ausscheidet.

Clever

Einige besonders „schlaue“ Pflanzen können sogar assoziierte Pilzgemeinschaften verändern. Das zeigen Studien an der Flockenblume (Centaurea maculosa), dem Wildhafer (Avena barbata) und der Trespe (Bromus hordeaceus). Damit wehren sie sich gegen Rivalen, indem sie Pilze „züchten“, die stärkere Toxine ausscheiden.

Auch Tiere können an dem „PILZNET“ partizipieren. Einige Pflanzen produzieren Verbindungen, um nützliche Bakterien und Pilze zu ihren Wurzeln zu locken. Die gleichen Signale werden aber auch von Insekten und Würmern wahrgenommen, die so an die leckeren Wurzeln gelangen.

Fazit

Das „PILZNET“ veranschaulicht eines sehr deutlich, nämlich dass scheinbar getrennte Organismen oft miteinander verbunden sind und voneinander abhängen. Diese Weisheit sollte allen Menschen zu denken geben, wenn sie Eingriffe in die Natur machen!

Pflanzen – Profiteure der Klimakatastrophe?

Das Jahr 2011 – der Winter zu kalt, der Sommer zu nass und der Herbst zu trocken. Die globale Klimaerwärmung ist schuld. Oder? Wie kontrovers die Diskussion auch noch immer geführt wird, eines bleibt – der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre steigt und steigt.

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe nimmt die CO₂-Konzentration seit Beginn des 18. Jh. ständig zu. Verstärkt wird der Anstieg durch die andauernde Abholzung von Wäldern, wodurch die Refixierung von CO2 durch die pflanzliche Ph...

Inhaltsverzeichnis

• Inhaltsverzeichnis
• Autor
• Einleitung
• Namen, Botanik & Taxonomie
• Zytologie
• Morphologie
• Verbreitung & Ökologie
• Physiologie
• Züchtung & Vererbung
• Gentechnik & Biotechnologie
• Nutzung von Pflanzen
• Wissenschaft & Forschung
• WWW, Blog & Twitter
• Bibliographie
• Impressum