Entwicklungspraktikum - Kantonsschule Wil

Kantonsschule Wil
Entwicklungspraktikum
Biologiepraktikum: 3. Semester
Name Schule Klasse Datum
1. Theorie
1.1. Einteilung im Pflanzenreich
Es gibt auf der Erde etwa 400 000 Pflanzenarten. Diese grosse Zahl erfordert eine möglichst übersichtliche
Ordnung. Zur Zeit des ARISTOTELES (384 bis 322 v. Chr.) kannte man bereits etwa 10 000 Arten und gliederte
sie nach Bäumen, Kräutern und Sträuchern. Man unterschied zwischen Land‐ und Wasserpflanzen,
zwischen «wilden» und «zahmen» Pflanzen. Später hat man Pflanzen nach ihrem medizinischen und
landwirtschaftlichen Nutzen zu Gruppen zusammengefasst. Diese Art der Gliederung nach Lebensräumen
oder Bedeutung nennt man ein künstliches System.
CARL VON LINNE, ein schwedischer Naturforscher (1707 bis 1778), war der Erste, der den Bau der pflanzlichen
Fortpflanzungsorgane verglichen und daraus ein weiteres Ordnungssystem entwickelt hat. So legte er die
Grundlagen zu dem, was heute als natürliches System bezeichnet wird. Dabei werden möglichst viele
Baumerkmale verglichen. Sehen wir uns das Ergebnis einmal am Beispiel der Gartenbohne an.
Alle Pflanzen dieser Art gleichen sich weitgehend und können sich untereinander fortpflanzen. Ähnliche
Arten fasst man zur Gattung Bohnen zusammen; Gattungen mit vielen gemeinsamen Merkmalen, zum
Beispiel mit gleichem Blütenbau, bilden eine Familie, hier die Schmetterlingsblütler. In gleicher Weise fasst
man Familien zu Ordnungen und diese wieder zu Klassen zusammen. In unserem Beispiel sind das die
Ordnung der Hülsenfrüchtler und die Klasse der Zweikeimblättrigen. Unterscheidungsmerkmale sind dabei
erstens die Fruchtform und zweitens die Zahl der Keimblätter.
Achtet man nun darauf, ob die Samenanlagen in einem Fruchtknoten eingeschlossen sind oder frei auf einer
Fruchtschuppe liegen, so erhält man zwei weitere systematische Gruppen, die Bedecktsamer und die
Nacktsamer. Man bezeichnet sie als Unterabteilungen der Abteilung Blütenpflanzen (Samenpflanzen). Zu
dieser Abteilung gehört mehr als die Hälfte aller Pflanzenarten. Daneben gibt es noch blütenlose Pflanzen,
die keine Samen bilden, zum Beispiel Algen, Moose und Farne. Sie bilden weitere Abteilungen des
Pflanzenreiches. Diese systematische Ordnung, die es ähnlich auch für Tiere gibt, ermöglicht es, Lebewesen
nach dem Grad ihrer Verwandtschaft zu ordnen.
Abb.1: Bedecksamer im Vergleich: links, Mais; rechts, Gartenbohne
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1.2. Entwicklung
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Die Entwicklung ist das Resultat von Wachstum und Differenzierung. Der Weg vom Keimling bis zur
stattlichen Altersform einer Pflanze ist ein besonders langer und eindrucksvoller Entwicklungsprozess.
Das Wachstum wird einerseits durch die Bildung neuer Zellen und andererseits durch die Zellstreckung
ermöglicht. Dank des Streckungswachstums kann eine Zelle ein bis zu fünfzigmal grösseres Volumen
erhalten, womit sich beispielsweise die erstaunliche Vergrösserung eines neu gebildeten Blattes erklären
lässt. Sind Hunderttausende von Blättern gleichzeitig in dieser Entwicklungsphase, wirkt sich dies wie eine
Wachstumsexplosion aus. Scheinbar plötzlich ist im Frühling alles wieder grün.
Die Vergrösserung des jungen Blattes kommt nur durch Streckungswachstum bereits vorhandener Zellen
zustande. Jeder mikroskopisch kleine Baustein trägt zur sichtbaren Vergrösserung bei.
Wachstum alleine würde nicht genügen, um ein so hoch organisiertes Lebewesen wie eine Samenpflanze
hervorzubringen. Die neu gebildeten Zellen wachsen nicht nur, sondern erfahren auch Gestaltveränderungen
(Differenzierungen), die es ihnen ermöglichen, bestimmte Aufgaben zu erfüllen. So entstehen viele
verschiedene Zelltypen. Gleichartige Zellen sind zu Geweben vereint. Kombinationen aus mehreren
verschiedenen Geweben ergeben Organe. Die Organe schliesslich bilden die vielfältigen Gestalttypen der
Pflanzen.
1.3. Vom Samen zur Pflanze
Im Samen ist die junge Pflanze noch als Keimling (Embryo) vorhanden. Die Keimung ist der Beginn der
Pflanzenentwicklung. Damit ein Same keimt, müssen die Aussenbedingungen stimmen: optimale
Temperatur, richtige Lichtverhältnisse und genügend Wasser. Der sichtbaren Keimung geht ein Quellvorgang
voraus, bei dem der Same durch Wasseraufnahme sein Volumen vervielfacht. Dabei vergrössern sich
Keimling und Nährgewebe so sehr, dass die Samenschale gesprengt wird. Wasser weckt die ruhenden Zellen,
bei genügend Sauerstoff und angemessener Temperatur beginnt das Wachstum. Die im Keimling
vorhandenen Bildungsgewebe (Spross‐ und Wurzelmeristem) sind für die Produktion der Zellen
verantwortlich. Keimwurzel und Keimspross wachsen rege. Versorgt werden sie mit Energie, die aus den
Reservestoffen des Nährgewebes oder der nährstoffhaltigen Keimblätter abgebaut wird. Das Keimblatt der
einkeimblättrigen Pflanzen ist häufig eine Art Leitorgan, das die Reservestoffe aus dem Nährgewebe an den
Keimling weiterleitet. Keimblätter von zweikeimblättigen Pflanzen können im Boden (evtl. in Bodennähe)
bleiben oder sie gelangen ans Licht, wo sie sich entfalten und für die weitere Ernährung des Keimlings durch
Fotosynthese sorgen. Sobald die ersten Laubblätter ausgebildet sind, verlieren die Keimblätter an
Bedeutung. Tatsächlich fallen sie schon nach kurzer Lebenszeit ab. Dank den Bildungsgeweben in Sprossund
Wurzelspitze wächst die junge Pflanze heran und entwickelt sich mit der Zeit zu einer blühreifen Pflanze.
Sind Bestäubung und Befruchtung erfolgreich, entstehen Früchte mit Samen, die den Beginn der nächsten
Generation darstellen.
Samenruhe und Beginn der Keimung sind auf die Umstände im natürlichen Lebensraum abgestimmt. So
keimen viele Samen von Pflanzen aus dem tropischen Regenwald unmittelbar nach der Fruchtreife, während
jene von Vertretern unserer Breitengrade meist eine Ruhephase durchmachen müssen. Die Keimkraft, das
heisst die Fähigkeit, überhaupt zu keimen, erlischt mit der Zeit. Auch in dieser Hinsicht gibt es grosse
Unterschiede innerhalb der Samenpflanzen. Wenn Buchensamen nicht innert zweier Jahre keimen, sterben
sie ab. Die maximale Lebensdauer von Samen der Zwiebel beträgt 22 Jahre, jene von Wiesenklee sogar 100
Jahre. Für die Indische Lotosblume wird, je nach Quelle, eine Lebensdauer zwischen 250 und 1000 Jahren
angegeben.
1.4. Samenkeimung
Nach Beenden der Samenruhe kann die Keimung beginnen. Der erste Schritt der Keimung ist die Aufnahme
von Wasser (Imbibition) durch Quellung. Ein Samen enthält im typischen Fall nur 5 bis 15 Prozent Wasser,
während die meisten grünen Pflanzenteile zu 80 bis 95 Prozent aus Wasser bestehen. Das Wasserpotenzial
eines Samens ist sehr stark negativ, und bei durchlässiger Samenschale wird Wasser aufgenommen. Die
Größenordnung des Wasserpotenzials lässt sich anhand der Kraft demonstrieren, die durch Samen ausgeübt
wird, die sich in Wasser ausdehnen. In quellenden Spitzklettensamen (Xanthium strumarium) kann gegen die
Samenschale ein Druck von bis zu 100 Megapascal (etwa 1 000 Atmosphären) aufgebaut werden.
Während der Wasseraufnahme durchläuft der Samen metabolische Veränderungen: Bei der Quellung werden
Enzyme aktiviert, es werden RNAs und anschließend Proteine synthetisiert, die Rate der Zellatmung steigt an
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und andere Stoffwechselwege werden angeschaltet. Bei zahlreichen Samen findet in diesen frühen
Keimungsstadien keine DNA‐Synthese statt und damit keine Mitose. Das anfängliche Wachstum resultiert
ausschließlich aus der Volumenzunahme von kleinen, vorgeformten Zellen. Erst nachdem das Wachstum der
Radicula und ihr Durchbruch durch die Samenschale einsetzen, wird DNA synthetisiert.
Der Embryo muss seine Reserven mobilisieren
Der Embryo muss die Energiereserven und die im Samen gespeicherten Rohstoffe nutzen, um diese
Stoffwechselaktivitäten betreiben zu können. Die junge Pflanze ist bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie zur
Photosynthese in der Lage ist, auf diese Reserven angewiesen, die sich in den Kotyledonen (Keimblättern)
des Embryos oder im Endosperm (dem spezialisierten Nährgewebe des Samens) befinden. Viele Samen
enthalten als wichtigste Energie‐und Kohlenstoffreserve Stärke. Andere Samen speichern Fette oder Öle. Die
Aminosäurereserven des Endosperms liegen gewöhnlich gebunden in Form von Proteinen anstelle freier
Aminosäuren vor.
Die riesigen Stärke‐, Lipid‐ und Proteinmoleküle müssen durch Enzyme zu Monomeren abgebaut werden,
welche in die Zellen des Embryos gelangen können. Aus dem Polymer Stärke wird Glucose für den
Energiestoffwechsel und die Synthese von Cellulose und anderen Zellwandbestandteilen freigesetzt. Die
Verdauung von Speicherproteinen liefert die Aminosäuren, welche der Embryo zur Synthese seiner eigenen
Proteine benötigt. Aus dem Abbau von Lipiden entstehen Glycerol (Glycerin) und Fettsäuren, die zur
Energiegewinnung metabolisiert werden können. Lipide lassen sich außerdem durch den Glyoxylatzyklus in
Glucose umwandeln (ein Stoffwechselweg, der bei Tieren fehlt), sodass Öl speichernde Pflanzen alle für das
Wachstum notwendigen Bausteine synthetisieren können.
Bei keimender Gerste und anderen Getreidesamen sezerniert der Embryo Gibberelline; diese gehören zu
einer Klasse von pflanzlichen Wachstumshormonen. Die Gibberelline diffundieren durch das Endosperm in
einen umhüllenden, als Aleuronschicht bezeichneten Bereich, der innerhalb der Samenschale liegt. In der
Aleuronschicht lösen die Gibberelline eine Kettenreaktion aus, sodass Enzyme synthetisiert und sezerniert
werden, welche die Proteine und die Stärke abbauen, die im Endosperm gespeichert sind (Abbildung 2).
Gibberelline werden im kommerziellen Maßstab beim Mälzen (Keimen und Darren der Gerste) im
Brauereiwesen eingesetzt, um den Abbau des Gersten‐Endosperms zu fördern und damit Zucker zu bilden, der zu
Ethanol vergoren wird.
Abb.2: Embryonen mobilisieren ihre Reserven. Während der Samenkeimung von Getreide lösen Gibberelline eine Kettenreaktion aus, die zur
Umwandlung von Stärke‐ und Proteinreserven in ihre Monomere führt. Der wachsende Embryo kann diese Moleküle nutzen.
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1.5. Vergleich von Weizen‐ und Bohnensamen
Bohnensamen Phaseolus vulgaris
Der Bohnensamen ist von einer Samenschale
umgeben, an der deutlich der Nabel zu erkennen ist.
An dieser Stelle war die Bohne in der Hülse
angewachsen. Bei einem Samen, der über Nacht in
Wasser gelegen hat, lässt sich die Samenschale
leicht entfernen. Der geschälte Samen besteht aus
zwei dicken, weisslichen Hälften. Dies sind die
nährstoffhaltigen Keimblätter. Dazwischen liegt
der Keimstängel mit den ersten Laubblättern
und der Keimknospe. Die Keimwurzel ist ebenfalls
deutlich zu erkennen. Das bedeutet: Der
Samen einer Pflanze ist ein mit Vorratsstoffen
ausgestatteter Keimling im Ruhezustand. Er ist ein
vollständiges Pflänzchen, das nur noch heranwachsen
muss.
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Weizenkorn Triticim aestivum
Der stärkehaltige Mehlkörper bildet die Hauptmasse
des Weizenkorns. Er ist von einer gelblichen Fruchtund
Samenschale umgeben, darunter liegt eine
Eiweissschicht. Der Keimling befindet sich an einem
Ende des Korns ausserhalb des Mehlkörpers und
besitzt nur ein Keimblatt, das Schildchen. Dieses
versorgt den heranwachsenden Keimling mit Vorratsstoffen
aus dem Nährgewebe des Mehlkörpers. Nach
der Keimung ist das Korn geschrumpft; der Mehlkörper
enthält keine Stärke mehr, was man mit Hilfe
des Mikroskops erkennen kann. Samen mit nur
einem Keimblatt lassen sich im Gegensatz zu
Bohnensamen nicht in zwei Hälften zerlegen. Weizen,
und Getreidepflanzen generell, sind Gräser und
gehören zu den einkeimblättrigen Pflanzen. Bohnen
hingegen besitzen zwei Keimblätter und ihr Same ist
daher auch zweiteilig. Sie gehören zu den zweikeimblättrigen
Pflanzen.
Abb.3: Bohnensamen
Abb.4: Weizenkorn
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2. Ziele
I
II
III
IV
V
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Ich kenne den Unterschied von einkeimblättrigen und zweikeimblättrigen Pflanzen
Ich kenne die Bestandteile von Bohnensamen und Weizenkorn
Ich kenne die Vorgänge bei der Entwicklung der Samenpflanzen
Ich kann die Stereolupe richtig bedienen
Ich kann wissenschaftliche Zeichnungen von Präparaten unter der Stereolupe
herstellen
3. Material
Labormaterial
Mikroskopierbesteck aus der
Materialkiste
Reagenzien/Organismen
Bohnensamen
Weizenkörner
Bohnenkeimlinge
Weizenkeimlinge
Geräte/Apparaturen
Stereolupe
4. Versuchsdurchführung
4.1. Betrachte einen Bohnensamen unter der Stereolupe. Zeichne und beschrifte bei 4‐facher
Vergrösserung.
4.2. Betrachte einen Bohnenkeimling, den du in der Mitte längs aufgeschnitten hast, unter der
Stereolupe. Zeichne und beschrifte bei 4‐facher Vergrösserung.
4.3. Betrachte ein Weizenkorn unter der Stereolupe, schneide es der Länge nach auf. Zeichne und
beschrifte bei 4‐facher Vergrösserung.
4.4. Betrachte einen Weizenkeimling unter der Stereolupe. Zeichne und beschrifte bei 4‐facher
Vergrösserung.
5. Resultate
6. Auswertung
7. Interpretation
8. Zusammenfassung/Schlussfolgerung
9. Quellen
‐ Gabriel Nutt H. (2006) Botanik Eine Einführung. Sauerländer, CH‐Oberentfelden, S. 117/118
‐ Jaksic‐Born et al. (2006) Natura. Klett und Balmer, Zug. S. 42/60
‐ Purves W.K. et al. (2006) Biologie. Spektrum Akademischer Verlag – Elsevier, München, S. 901/902
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