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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
3.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse ... 19
4. Diskussion ...................................................................................................................... 22
4.1 Versuch 1: Bestimmung des Wasserpotentials durch Grenzplasmolyse ..................... 22
4.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durch Plasmolyse ... 23
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
3.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durchPlasmolyse
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.
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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.
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21
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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.
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4.2 Versuch 2: Bestimmung des osmotischen Werts des Zellsaftes durchPlasmolyse
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.
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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