Allgemeine Botanik 2 an der Universität Greifswald

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Wie verlief die Evolution der Eukaryonten?

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Wie entstanden mehrzellige Organismen?

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Wie kam das Leben an Land?

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Viele Wege zum multizellulären Leben. Welche Voraussetzungen bedarf es dafür?

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Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren?

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Was sind Polyploide Pflanzen?

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Pflanzen Biotechnologie Vor und Nachteile

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The risks of genetically modified plants

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Semiautonomous cell organells

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Wie könnte die Endosymbiose abgelaufen sein?

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Beispiele für Symbiont und Wirt.

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mt DNA in Pflanzen

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Allgemeine Botanik 2

Wie verlief die Evolution der Eukaryonten?

- Prokaryoten sind sehr einfach aufgebaut, nur ein DNA-Molekül

erlaubt keine hohe Komplexität

- Eukaryoten können mehr genetische Informationen auf geordnete Weise aufrechterhalten und diese Informationen an ihre Nachkommen weitergeben

- Kern und Chromosomen, mit Histonen umwickelte DNA und

Skelett sind wichtige Schritte auf diesem Weg

- Dies kann eine weitere Voraussetzung für die Mehrzelligkeit sein, da mehr

genetischer Code benötigt wird  um Zell-Zell-Wechselwirkungen zu regulieren

- Endosymbiose mit den noch vorhandenen Prokaryoten  bildet neue Zellen mit einer höheren Stoffwechselrate

Allgemeine Botanik 2

Wie entstanden mehrzellige Organismen?

- Formen in einem plötzlichen Ausbruch vor etwa 700 Millionen Jahren

- Auch für diesen Schritt braucht das Leben mehrere Versuche ...

- Erstens war das mehrzellige Leben auf Wasser beschränkt

(keine Gefahr der Austrocknung, Ausbreitung durch Strömungen)

- Die Arbeitsteilung zwischen den Zellen entwickelte sich langsam - aber nur das macht eine wirklich vielzelliger Organismus!

- Die Herausforderung: Wenn die Zellen größer werden, wachsen mit ihrem Radius (r) beide Oberfläche (r2) und noch mehr: Volumen (r3)

- Innerhalb des Zelltransports kommt es durch (langsame!) Diffusionen zu großen Zellen kann nicht genug Sauerstoff und Nährstoffe bekommen!

- so sind einzellige Organismen in der Größe begrenzt!

- Selektive Vorteile der Mehrzelligkeit:

  • Größe (für Raubtiere)
  • effektivere Photosynthese (undichte Oberflächen)

Allgemeine Botanik 2

Wie kam das Leben an Land?

- das mussten zuerst die autotrophen tun: die Pflanzen

- Voraussetzungen:

  • voll entwickelte Gewebe,
  • Ausbreitungsstrategien (Sporen),
  • eine Außenhaut (Epidermis), um Wasserverlust zu verhindern,
  • und wurzelähnliche Strukturen, um Wasser aus dem Boden aufzunehmen

- Es folgen heterotrophe Organismen (Tiere und Pilze)


Allgemeine Botanik 2

Viele Wege zum multizellulären Leben. Welche Voraussetzungen bedarf es dafür?


  • Verteidigung gegen raue Umgebung
  • Ausbreitungsstrategien
  • Möglichkeiten zur Gewinnung von Wasser, immer noch das universelle Lösungsmittel, um Zellen am Leben zu halten

- Eine Zelle kann nicht alles

- Auf diese Weise entsteht eine Arbeitsteilung zwischen den Zellen

- Nicht selten hat sich die gleiche Lösung phylogenetisch herausgebildet unabhängige Gruppen

- Beispiel: Ausbreitung mit luftgetragenen einzelligen Propagula -> Sporen

Allgemeine Botanik 2

Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren?

- Unterschiede im Genom zwischen Pflanzen und (den meisten) Tieren:

1.) Pflanzen haben oft mehr DNA als Tiere

2.) Pflanzen können mehr als zwei Kopien von Chromosomen haben

2n diploid

3n 4n 5n 6n 7n 8n polyploid

- Ungerade Zahlen verursachen häufig Probleme bei der sexuellen Reproduktion, aber

- Pflanzen können sich am häufigsten auch ungeschlechtlich fortpflanzen

- Etwa 40% aller Gefäßpflanzenarten sind polyploid!

Allgemeine Botanik 2

Was sind Polyploide Pflanzen?

- sind besonders in gemäßigten Klimazonen verbreitet und arktische Floras (schnellere Proteinsynthese für eine kurze Vegetationsperiode)

- werden oft größer, daher sind viele gemeinsame Kulturen polyploid:

Weizen (Triticum-Hybriden): 6n

Kartoffel (Solanum tuberosum): 4n

- sind oft reproduktiv isoliert von seinen diploiden Verwandten -> Ploidie ist eine Art von Spezialstation in Pflanzen!

Ahnenform

2n

relativ

4n

-> ein hybrid wäre 3n

und damit kaum lebensfähig

Allgemeine Botanik 2

Pflanzen Biotechnologie Vor und Nachteile

- darauf ausgerichtet, den Ernteertrag zu verbessern: das gleiche Ziel wie bei herkömmlichen Planzenzucht

- was ist neu: direkte Übertragung von Genen möglich: transgene Pflanzen

- Richtungen der Forschung

a) Resistenz gegen natürliche Feinde: Pflanzenfresser, Pilze, Insekten

- Phytophthora-Pilz-resistente Kartoffeln

- Maiszünsler-resistenter Mais mit Bt-Genomen

b) Herbizide und Resistenzen

- rundum widerstandsfähiger Mais, um weniger Pflanzenfresser und Arbeitskräfte einzusetzen

Jäten

b) Verbesserung der Qualität

- Stärkemodifizierte Kartoffeln zur Verwendung als Rohstoff in der Chemie

- Mit Lysin angereicherte Sojabohne (bessere Futterqualität)

- „goldener Reis“ mit ß-Carotin (ermöglicht dem Menschen die Synthese

Vitamin A)

Allgemeine Botanik 2

The risks of genetically modified plants

Risiko 1 - für die Natur

- Ausbreitung eingeführter Gene (z. B. Resistenz) in natürlichen Populationen

- Eine GVO-Pflanze hybridisiert mit wilden Verwandten

- Das ökologische Gleichgewicht zwischen den Arten ist gestört, es können sich „Superweeds“ entwickeln

Aber

- Viele Pflanzen haben keine nahen Verwandten in unserer Flora

- Das „neue“ Gen ist in einer natürlichen Umgebung oft unbrauchbar: Es wird ausgewählt

dagegen (Beispiel: Kartoffel Amflora mit modifizierter Stärke)


Risiko 2 - für die Natur

- Pollen von GVO-Pflanzen mit Insektentoxinen werden von Wildinsekten gefressen und abgetötet

(z. B. Bt-Mais)

Aber

- Die meisten Pflanzen sind nicht windbestäubt, die Pollendosen sind normalerweise sehr niedrig


Risiko 3 - für den Menschen

- Ein Produkt des „neuen“ Gens ist für den Menschen giftig oder allergisch

(Niemals die DNA selbst, da wir die DNA unabhängig von der Information, die sie enthält, verdauen.)

Aber

- Dies ist das gleiche Risiko, das wir bei natürlichen Lebensmitteln haben

(Aflatoxine in Bio-Erdnüssen, Allergien gegen Mango…)

Fazit: Gentech ist kein Teufel, aber wir brauchen ein sorgfältiges Risikomanagement!

Allgemeine Botanik 2

Semiautonomous cell organells

Mitochondrien und Plastiden haben eine Reihe von Merkmalen gemeinsam mit Bakterien:

- multiplizieren Sie durch Teilung und werden auf diese Weise von Zelle zu Zelle vererbt

- Ein einfaches kreisförmiges Genom mit kreisförmiger DNA

- keine Histonproteine *

- Mehrere Genomkopien, Replikation nicht mit dem Zellzyklus gekoppelt

- DNA-Sequenzen zeigen Beziehungen, z. diejenigen, die für rRNA kodieren:

  • Mitochondrien - lila Bakterien
  • Chloroplasten - Cyanobakterien

- ähnliche RNA-Polymerasen, Rifamycin-sensitiv (ein Antibiotikum), Eukaryotische Zellen besitzen drei andere Amanitin-sensitive (ein Pilzgift) Enzyme

- Ribosomen vom Typ 70S (eukaryotische Zellen: 80S)

- Übersetzung beginnt mit Formyl-Methionin anstelle von Methionin

- Innere Mitochondrienmembran mit Cardiolipiden

(Steroide wären typisch für Eukaryota, diese fehlen)

Allgemeine Botanik 2

Wie könnte die Endosymbiose abgelaufen sein?

aktuelle Beispiele für endozelluläre Symbiosen:

Korallen und Dinoflagellaten, Protisten und Cyanobakterien…

- häufige Merkmale von Bakterien und Mitochondrien / Chloroplasten

- die Doppelmembran - wie sie sich während der Phagozytose entwickelt

- wie es hätte passieren können:

1.) Phagozytose eines Bakteriums (des späteren Endosymbionten) durch eine andere Zelle

2.) Das Bakterium ist nun von einer Doppelmembran umgeben

3.) es widersteht der Verdauung

4.) es vermehrt sich in der Wirtszelle

5.) eine Symbiose entsteht

6.) Jeder Partner ist spezialisiert - der Endosymbiont wird zum Organell des

Wirtszelle

7.) DNA-Teile und die entsprechenden Informationen können ausgetauscht werden

8.) Die Partner bilden eine Zelle und können nicht mehr alleine leben

Allgemeine Botanik 2

Beispiele für Symbiont und Wirt.

Rhizobium-Bakterien in Hülsenfrüchten (Eukaryoten, Blütenpflanzen!)

- frei lebende Bakterien „infizieren die Wirtszelle“, entarten und werden abhängig von die Wirtszelle

- Austausch: Stickstofffixierung aus Luft - Kohlenhydraten aus der Photosynthese


Dinoflagellaten in Korallen (Eukaryoten!)

- dauerhaft in Korallen leben

- Austausch: Kohlenhydrate aus der Photosynthese <-> Obdach


Endocyanome: Cyanobakterien in verschiedenen Ciliaten (Eukaryoten!)

- dauerhaft in den Ciliaten leben, nicht alleine leben können

- Genomverlust begann: DNA ist nur ein Zehntel der frei lebenden Cyanobakterien!

- Austausch: Kohlenhydrate aus der Photosynthese <-> Schutz, Bewegung in Richtung Licht

- Diese Cyanobakterien, Cyanellen genannt, sind auf dem Weg, zu Organellen zu werden


Einzellige Grünalgen (Eukaryoten!) In Hydra-Polypen (auch Eukaryoten!)

- leben manchmal in den Polypen, andere haben keine Grünalgen

- Austausch: Kohlenhydrate aus der Photosynthese <-> Obdach

Allgemeine Botanik 2

mt DNA in Pflanzen

Im Gegensatz zu Tieren:

- größer (200-2000 kbp - bei Tieren 16-17 kbp)

- extrem variabel, insbesondere bei parasitären Pflanzen, nicht für alle codierend

Proteine, die ein Mitochondrium benötigt

- kann ein Kreis, mehrere kreisförmige Moleküle oder sogar linear sein

- viele Introns

- aber nur wenige (<100) Gene: Proteine für Atmungskette und Ribosomen,

einige t-RNAs und rRNAs

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