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scientia halensis 4/2002 .................................................................................... Fachbereich Biologie ................................................................................ arten werden dort manchmal zu problematisch »aggressiven«, die natürliche Vegeta- 28 tion verdrängenden Elementen. Für solche invasiven »aliens« können wir aufgrund unserer Datenmodelle inzwischen sehr präzise voraussagen, welches potenzielle Verbreitungsgebiet sie erreichen können. Überraschungen halten auch die vermeintlich gut studierten Arten der mitteleuropäischen Pflanzenwelt bereit. Bisher war es trotz aller Bemühungen in Form von »Roten Listen« besonders bedrohter Arten oft unklar, für welche dieser Arten die Bundesrepublik konkret die weltweit größte Verantwortung trägt, sie vor dem Aussterben zu bewahren. Auf der Basis des halleschen biogeographischen »know hows« wurde eine Prioritätenliste für Deutschland erarbeitet, die den Naturschutzbehörden und der Landschaftsplanung mittlerweile zu einer wichtigen Richtlinie geworden ist. Molekulare Diversität Systematische Botanik, Biogeographie und Makro-Ökologie sind aber nicht die einzigen Arbeitsbereiche, die sich mit der Biodiversitätsforschung verbinden; zudem hat sich das methodische Arsenal in den vergangenen Jahren beträchtlich erweitert. Es geht heute nicht mehr nur um Artendiversität, sondern auch darum, wie diese sich in Form von ökologischer Diversität in unterschiedlichen Lebensgemeinschaften, Biotop-Typen, Landschaften und deren ökologischen Prozessen ausdrückt. Am gegenüberliegenden Ende der Skala steht die molekulare Diversität, die als Variabilität zwischen den Arten und innerhalb einer Art in Erscheinung tritt. Die Variabilität reicht Erst seit sechs Jahren ist bekannt, wie die Chromosomen der Kokos-Palme, eine der weltwirtschaftlich bedeutenden Kulturpflanzen, aussehen. Original: Röser Verbreitungsgrenzen von Pflanzenarten haben oft klimatische Ursachen, die sich durch die Daten aus geographischen Informationssystemen erkennen lassen. Diese Karte der Durchschnittstemperaturen im September setzt sich aus Millionen von Einzeldaten zusammen, deren Korrelation mit vorkommenden Populationen kleinsträumig analysiert werden kann. Quelle: Klimadatenbank des Instituts für Geobotanik von Sequenzunterschieden im DNA-Makromolekül bis zur Umstrukturierung ganzer Chromosomen, die durch den Einsatz molekularer Sonden analysiert wird. Genetische Diversität besitzt eine zentrale Bedeutung, da sie die Veränderlichkeit von Arten und deren vielfältige Anpassungen begründet. Um sie zu analysieren, werden moderne molekulare Untersuchungsverfahren eingesetzt, die vom genetischen Fingerabdruck (»fingerprint-Methoden«) zur Charakterisierung einzelner Individuen oder Populationen bis hin zur Sequenzierung von DNA-Abschnitten aus den Zellkernen und Chloroplasten reichen. Hochvariable Bereiche der DNA liefern dabei Erkenntnisse über die aktuelle Evolution der Arten, über Hybridisierungsvorgänge oder genetische Introgression, evolutiv stark konservierte DNA-Bereiche, z. B. von vielen Genen, erlauben Rückschlüsse auf zeitlich weit zurückliegende Ereignisse in der Evolution. Unser Interesse gilt dabei u. a. einigen weltweit verbreiteten Organismengruppen, der Entstehung tropischer Hochgebirgspflanzen und der Elemente der eurasischen Steppenvegetation sowie der postglazialen Geschichte europäischer Pflanzen. Studiert werden aber auch Fragen auf lokaler Ebene, z. B. an reliktären Arten oder ökologisch besonders angepassten Populationen in Sachsen-Anhalt. Da die Biodiversitätsforschung die unterschiedlichen Organisationsebenen des Lebens – von Molekülen bis zu Ökosystemen – im Blick hat, ist sie zu einem verbindenden Element zwischen verschiedenen biologischen Disziplinen wie Populationsgenetik, Systematik, Ökologie und Naturschutzbiologie geworden. Damit reiht sich die Biodiversitätsforschung auch in den fächerübergreifenden Ansatz von Biochemie, Genetik, Zellbiologie etc. ein, der als ökologische Entwicklungsbiologie (»ecodevo«) bezeichnet wird. In praktischer Hinsicht erlaubt das Spektrum der For- Studentinnen bei der Geländearbeit: Sie untersuchen hybridogene Formen, die zwischen zwei Arten von Wildgräsern ausgebildet werden und nur auf einem Berg in den Karawanken vorkommen. Foto: Röser schungsansätze, aktuelle Erfordernisse des Naturschutzes ebenso zu berücksichtigen wie globale Aspekte der biologischen Vielfalt. Der Autor studierte 1978–1984 in Tübingen Biologie, Theologie und Geologie und wurde 1989 dort promoviert. 1991–1995 war er Postdoktorand, dann Hochschulassistent an der Universität Wien, anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Leipzig, wo er sich 1999 habilitierte. 2001 wurde er auf die Professur für Spezielle Botanik und Biodiversität an die Universität Halle berufen.
DER CHLOROPLAST: SOLARKRAFTWERK, SAUERSTOFFPRODUZENT UND BIOSENSOR .............................................................................. scientia halensis 4/2002 Fachbereich Biologie Udo Johanningmeier Pflanzen sind in der Lage, mit Hilfe von Licht und Chlorophyll aus den einfachen Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser »nahrhafte« Produkte wie Zucker herzustellen. Dieser Photosynthese genannte Prozess findet in Chloroplasten statt, kleinen Solarkraftwerken innerhalb der Zelle, die mit einem eigenen Genom ausgestattet sind. Ein Membransystem in den Chloroplasten enthält zwei in Reihe geschaltete Photosysteme, die Elektronen der Chlorophylle mit Hilfe der Sonnenenergie auf Akzeptormoleküle übertragen. Die Produkte dieser Lichtreaktion dienen dem Einbau von Kohlendioxid in Zucker, die nun in verschiedene andere Zellbausteine umgewandelt werden können. Das Leben aller Organismen basiert direkt oder indirekt auf diesem Prozess, bei dem global die ungeheure Menge von jährlich etwa 200 Milliarden Tonnen Biomasse erzeugt wird. Chloroplasten sind aber noch in anderer Hinsicht interessant. Als Zellorganellen mit eigenem Solarkraftwerk und eigener Gen-Ausstattung können sie Proteine synthetisieren, auch solche, die ihnen nachträglich mit gentechnischen Methoden »eingepflanzt« wurden. So ist es in jüngster Zeit gelungen, durch Transformation des Chloroplastengenoms Fremdproteine, wie z. B. das menschliche Wachstumshormon Somatotropin, in beträchtlichen Mengen zu produzieren. Auch der unten beschriebene Einsatz eines Photosynthesekomplexes als Biosensor für Schadstoffe zeigt, dass die Chloroplastenforschung das Grundlagenstadium verlassen hat und interessante Perspektiven für biotechnologische Anwendungen bietet. Möglich wurde die Neuprogrammierung des Chloroplastengenoms durch eine zunächst kurios anmutende Technik: DNA wird an kleinste Metallpartikel gebunden, diese mit Hilfe eines »Gewehrs« beschleunigt und schrotschussartig in die Zellen bzw. Chloroplasten übertragen. Dort inseriert sie durch homologe Rekombination ins Chloroplastengenom. Obwohl zuerst skeptisch beurteilt, hat sich diese biolistische Technik für die Chloroplasten-Transformation sowohl von Algen als auch von höheren Pflanzen durchgesetzt. Mit ihrer Hilfe wurde zum ersten Mal 1988 das Plastom der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii (Abb. 1) stabil transformiert. Auch wir nutzen diese Technik und die einzellige Alge als Modellorganismus für Fragestellungen, die sich mit Struktur und Funktion von Chloroplastenproteinen beschäftigen. Abb. 1: Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Sie besitzt zwei Flagellen zur Fortbewegung und einen großen Chloroplasten, der etwa 40 Prozent des gesamten Zellvolumens ausmacht und leicht transformierbar ist. Lichtenergie über eine Transportkette aus Proteinen und Cofaktoren getrieben werden und schließlich im Zuckermolekül landen, dient die Freisetzung von Protonen der Bildung eines Protonengradienten und damit der Synthese des zellulären Treibstoffs Adenosintriphosphat. Der Sauerstoff ist ein unvermeidliches Nebenpro- ............................................................................... dukt dieser Wasserspaltungsreaktion und für die Pflanze ein Problem, da leicht aggressive Sauerstoffradikale entstehen. Dennoch, ohne die Fähigkeit von PSII, Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen, enthielte unsere Atmosphäre keinen Sauerstoff. Die Reaktionen der Photosynthese liefern also nicht nur die Kohlenhydrate, die wir mit unserer Nahrung verzehren, sondern dank PSII auch den Stoff, der eine »Verbrennung« dieser Kohlenhydrate zur Energiegewinnung ermöglicht. Wie ist diese offenbar so wichtige Lichtmaschine, die den Sauerstoff liefert, aufgebaut, und wie funktioniert sie? Hier wurden in den letzten Jahren beträchtliche Fortschritte gemacht, so dass wir ein recht genaues Bild von der PSII-Struktur haben (Abb. 2). Obwohl PSII aus mehr als 20 verschiedenen Protein-Untereinheiten besteht, bilden sein Herzstück die zwei eng miteinander verzahnten Membranproteine D1 und D2 (Abb. 3). Sie binden Cofaktoren wie Mangane, Chlorophylle, Phäophytine und die Plastochinone Q A und Q B , deren Aufgabe darin besteht, Elektronen zu transportieren. Wenn ein Lichtteilchen mit ausreichender Energie ein Chlorophyllmolekül trifft, verliert es ein Elektron zunächst an das in der Nähe liegende Phäophytin, um dann weiter auf die Plastochinone Q A und Q B übertragen zu werden. In Form des reduzierten Plastochinons Q B verlassen zwei Elektronen den PSII-Kom- 29 Ein Photosystem als Sauerstoffproduzent Von den zwei an der Lichtreaktion beteiligten Photosystemen ist der Photosystem II (PSII)-Komplex in der Lage, bei Belichtung Wasser in Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu zerlegen. Während Elektronen des Wassermoleküls mit Hilfe der Abb. 2: Dreidimensionale Darstellung des Photosystem II Reaktionszentrums aus Blaualgen (nach Witt).
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Seite 4 und 5: scientia halensis 4/2002 ..........

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