Botanik - Die umfassende Biologie der Pflanzen

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Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Teil A: Anfänge

Kapitel 1 Die Evolution bis zu den einfachsten Pflanzen: Progenoten – Prokaryonten – Eukaryonten

1.1 Einleitung

1.2 Die ersten Schritte der Evolution von Lebewesen

1.3 Die Ernährungsweise

1.4 Die Prokaryonten

1.4.1 Archaebakterien

1.4.2 Eubakterien

1.4.3 Besondere Eubakterien: Die Cyanobakterien als prokaryotische Algen

1.5 Die eukaryotischen Zellen

1.5.1 Organisation: Euglena

1.5.2 Schema der Eukaryontenzelle

1.6 Evolution der Eukaryontenzellen

1.6.1 Urkaryonten

1.6.2 Endosymbiontentheorie der Evolution Mitochondrien und Chloroplasten enthaltender eukaryotischer Zellen

1.6.2.1 Cytologische und zellbiologische Beobachtungen

1.6.2.2 Rezente Endosymbiosen

1.6.2.3 Glaucophyta

1.6.3 Symbiogenese

1.6.4 Hydrogen-Hypothese

1.7 Die Domänen und Reiche der Organismen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 2 Bioenergetik

2.1 Fließgleichgewichte und Bioenergetik

2.2 Wärme und Arbeit sind verschiedene Formen von Energie

2.3 Die Entropie bestimmt die Richtung von Prozessen

2.4 Die Freie Energie ist ein Maß für nutzbare Energie

2.5 Die Energiekoppelung bei biochemischen Umsetzungen

2.6 Die Energiekoppelung bei biophysikalischen Umsetzungen mit Licht

2.6.1 Halobakterien

2.6.2 Durch Licht energetisierte Redoxreaktionen

2.6.3 Photosynthese betreibende Eubakterien

2.6.4 Photosynthese höher entwickelter Formen

2.6.5 Evolution der Elektronenübertragungsketten der Photosynthese und der Atmung

2.7 Die Enzyme

2.7.1 Aktivierungsenergie und Biokatalyse

2.7.2 Stoffliche Eigenschaften von Enzymen

2.7.3 Wirkungsweise der Enzyme

2.7.4 Kinetik der Biokatalyse

2.7.4.1 Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substrat-konzentration

2.7.4.2 Anhängigkeit der Enzymaktivität von Ionen, Cofaktoren, Temperatur und pH-Wert

2.7.5 Regulierung der Enzymaktivität

2.7.5.1 Regulation auf der posttranslationalenen Ebene

2.7.5.2 Regulierung der Enzymmenge

2.7.6 Isoenzyme

2.7.7 Benennung von Enzymen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 3 Ebenen der Integration: Arbeitsteilung und Regulation

3.1 Struktur und Funktion auf verschiedenen Skalierungsebenen

3.2 Arbeitsteilung und Regulation

3.3 Fraktionierung der Systeme

3.4 Reduktionismus, Freiheitsgrade und emergente Eigenschaften

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Teil B: Bau und Funktion der Pflanzenzelle

Kapitel 4 Prinzipen des Membrantransports

4.1 Membranen als kontrolliert zu überwindende Barrieren

4.2 Membranaufbau

4.3 Mechanismen des Ionentransports

4.3.1 Uniporter

4.3.2 Cotransporter

4.4 Die elektrische Membranspannung

4.4.1 Aktiver Transport

4.4.2 Passiver Transport

4.5 Kanäle

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 5 Membrandynamik

5.1 Pflanzen ändern ihre Oberfläche mittels Exo- bzw. Endocytose

5.2 Exo- und Endocytose verändern den funktionellen Charakter der Membran

5.3 Viele dynamische Prozesse beginnen am Endoplasmatischen Reticulum

5.4 Die Untersuchung von Exo- und Endocytose

5.5 Exo- und Endocytose in Pflanzen sind reguliert

5.6 Mechanismus der Membranfusion

5.7 Mechanismus der Endocytose

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 6 Plasmalemma und Tonoplast

6.1 Inventar von Membranproteinen in der Plasmamembran

6.2 Inventar von Membranproteinen im Tonoplasten

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 7 Vakuole

7.1 Vakuolen und Lysosomen: Speicherfunktionen und hydrolytische Enzyme

7.1.1 Cytologie und Funktionen

7.1.2 Verschiedene Vakuolen für verschiedene Aufgaben

7.2 Osmose und Turgor

7.3 Wasserpotenzialgradienten und Volumenfluss

7.4 Messung der Wasserhaushaltsparameter

7.5 Turgorabhängige Lebensvorgänge

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 8 Cytoplasma: Struktur und Stoffwechselprozesse

8.1 Cytosol

8.2 Cytoskelett

8.2.1 Allgemeine Funktionen des Cytoskeletts

8.2.2 Elemente des Cytoskeletts

8.2.2.1 Mikrotubuli

8.2.2.2 Mikrofilamente

8.2.2.3 Motorproteine

8.3 Stoffwechselprozesse im Cytosol

8.3.1 Kohlenhydrate als Energiereserven

8.3.2 Mobilisierung der Reservekohlenhydrate

8.3.3 Glykolyse

8.3.3.1 Umformung und Spaltung des Hexosemoleküls

8.3.3.2 ATP-Bildung bei der Glykolyse

8.3.3.3 Energiebilanz der Glykolyse

8.3.3.4 Anaerobe Reoxidation von NADH + H+: Gärungen

8.3.3.5 Regulation der Glykolyse

8.4 Die zentrale Stellung des Cytosols im Stoffwechsel der Zelle

8.4.1 Zusammenspiel zwischen Cytosol und anderen Organellen und Kompartimenten im Zellstoff-wechsel

8.4.2 Biosynthese der Triglyceride

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 9 Mitochondrien und Atmung

9.1 Struktur der Mitochondrien

9.2 Atmung

9.2.1 Biochemische Umsetzungen

9.2.1.1 Oxidative Decarboxylierung des Pyruvats

9.2.1.2 Zitronensäurezyklus

9.2.2 Mitochondriale Elektronentransport- und Redoxkette

9.2.2.1 Atmungskette

9.2.2.2 Thermodynamik der Atmungskette und ATP-Bildung durch die oxidative Phosphorylierung

9.3 Oxidative Phosphorylierung: ATP-Bildung durch den mitochondrialen FO/F1-ATPase-Komplex

9.4 Energiebilanz des vollständigen oxidativen Abbaus der Glucose in der Atmung

9.5 Thermogenese

9.6 Transport von Metaboliten durch die Mitochondrien-membran

9.7 Kohlenhydratabbau als Sammelbecken im Stoffwechsel

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 10 Plastiden und ihre Funktionen: Photosynthese, Hexoseoxidation, Fettsäurebiosynthese

10.1 Plastiden

10.1.1 Größe und Gestalt

10.1.2 Struktureller Feinbau

10.1.2.1 Membranhülle der Plastiden

10.1.2.2 Plastoplasma oder Stroma der Plastiden

10.1.2.3 Thylakoidsystem der Plastiden

10.2 Primärprozesse der Photosynthese: Photochemische Reaktionen

10.2.1 Elektromagnetische Strahlung: Lichtquanten, Wellenlänge und Energie

10.2.2 Pigmente der Photosynthese

10.2.3 Anregung des Chlorophylls durch Licht-absorption

10.2.4 Lichtsammelantennen und Photosysteme

10.2.5 Reaktionszentrum

10.2.6 Elektronentransport bei der Lichtreaktion

10.2.7 Schutzmechanismen: Ein Überschuss an Anregungsenergie wird gefährlich

10.2.8 Chlorophyllfluoreszenz

10.3 Mechanismus der Photophosphorylierung

10.4 Sekundärprozesse der Photosynthese: CO2 -Assimilation

10.4.1 Carboxylierung

10.4.2 Reduktion des fixierten Kohlenstoffs

10.4.3 Regeneration des CO2 -Akzeptors

10.4.4 Synthese photosynthetischer Endprodukte

10.4.5 Bilanz der Photosynthese

10.5 Glucoseoxidation: Oxidativer Pentosephosphatzyklus

10.6 Vergleich der Regenerationsphasen des reduktiven und oxidativen Pentosephosphatzyklus

10.7 Biosynthese der Fettsäuren

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 11 Microbodies: Glyoxysomen und Peroxisomen

11.1 Glyoxysomen

11.1.1 Chemischer Aufbau der Fette

11.1.2 Mobilisierung des Kohlenstoffs aus den Speicherlipiden

11.1.2.1 Oleosomen und hydrolytische Spaltung der Triacylglyceride

11.1.2.2 ß-Oxidation der Fettsäuren

11.1.2.3 Glyoxylsäurezyklus

11.1.2.4 Gluconeogenese

11.1.2.5 Nutzung der Speicherlipide bei Pflanzen und Tieren: Ein Vergleich

11.2 Peroxisomen und Photorespiration

11.2.1 Reaktionsweg der Photorespiration

11.2.1.1 Glycolat-Zyklus

11.2.1.2 Glutamat-Synthase-Zyklus

11.2.1.3 Mechanismen des Membrantransports

11.2.1.4 Glycin-Decarboxylase/Serin-Hydroxymethyltransferase-Komplex

11.2.2 Eine erste Bilanz der Photorespiration: Stöchiometrien

11.2.3 Eine zweite Bilanz: Was nützt die Photorespiration?

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 12 Metabolismus von Sauerstoff

12.1 Sauerstoff als Zellgift: Reminiszenz der Evolution der Erdatmosphäre

12.2 Sauerstoff im pflanzlichen Stoffwechsel und die Bildung reaktiver Sauerstoff-Spezies (RSS)

12.3 Antioxidative Reaktionen (AOR)

12.4 Funktionen der reaktiven Sauerstoff-Spezies

12.4.1 Zerstörende Wirkungen

12.4.2 Biotischer Stress: Pathogenabwehr

12.4.3 Polymerisierungen: Lignin

12.4.4 Signalwirkungen

12.5 Bildung von reaktiven Sauerstoff-Spezies bei abiotischem Stress

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 13 Zellwand

13.1 Chemische Zusammensetzung der Zellwände

13.1.1 Pectinstoffe: Protopectine und Pectine

13.1.2 Hemicellulosen

13.1.3 Cellulose

13.1.4 Kallose

13.1.5 Ein Sonderfall unter den Zellwandsubstanzen: Chitin

13.1.6 Zellwandproteine

13.2 Biosynthese der chemischen Zellwandkomponenten und ihre Kompartimentierung

13.2.1 Dictyosomen und ihre Rolle bei der Zellwandbildung

13.2.2 Biosynthese der Cellulose

13.2.2.1 Cellulose-Synthase

13.2.2.2 Verlauf der Biosynthese

13.2.2.3 Biosynthese der Kallose

13.3 Entwicklung der Zellwand

13.3.1 Hilfsstrukturen zur Anlage einer neuen Zellwand: Phycoplast und Phragmoplast

13.3.2 Bildung der Zellplatte und der Mittellamelle

13.4 Bau der Zellwand

13.4.1 Hierarchie der Cellulosestrukturen

13.4.2 Textur der Cellulosefibrillen

13.4.3 Primärwand

13.4.4 Sekundärwand und Tertiärwand

13.5 Durchbrechungen in Zellwänden

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 14 Proteine und Aminosäuren

14.1 Aminosäuren und ihre Eigenschaften

14.2 Kondensation von Aminosäuren zu Peptiden

14.3 Proteine und ihre Eigenschaften

14.4 Proteome

14.5 Strukturhierarchie der Proteine

14.5.1 Primärstruktur

14.5.2 Sekundärstruktur

14.5.3 Tertiärstruktur

14.5.4 Quartärstruktur

14.6 Posttranslationale Proteinmodifikationen

14.7 Funktionen der Proteine

14.8 Stoffwechsel der Aminosäuren und Proteine

14.8.1 Synthese von Aminosäuren

14.8.2 Umsatz der Proteine

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 15 Naturstoffe: Pflanzen als vielseitige Synthetiker

15.1 Ein Überblick

15.2 Terpenoide

15.2.1 Biosynthese und Vielfalt der Terpenoide

15.2.2 Funktionen

15.2.2.1 Hemiterpene

15.2.2.2 Monoterpene

15.2.2.3 Sesquiterpene

15.2.2.4 Diterpene

15.2.2.5 Triterpene

15.2.2.6 Tetraterpene

15.2.2.7 Polyterpene

15.3 Phenole

15.3.1 Biosynthesewege

15.3.2 Einfache Phenole

15.3.3 Phenylpropanderivate

Cutine

15.3.4 Flavonoide

15.3.5 Funktionen

15.4 Alkaloide und organische Basen

15.4.1 Biosynthese

15.4.2 Mannigfaltigkeit und Funktionen

15.5 Porphyrine

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 16 Mineralstoffernährung

16.1 Der Boden

16.1.1 Entstehung von Böden und Bodentypen

16.1.2 Wasserkapazität und Bodenstruktur

16.1.3 Bodenchemie und Verfügbarkeit von Mineralstoffen

16.1.4 Bodenökologie

16.2 Hydroponik und die Identifizierung der essenziellen Elemente

16.3 Stoffwechsel des Stickstoffs

16.3.1 Nitrat-Aufnahme und Nitrat-Reduktion

16.3.2 Fixierung von Luftstickstoff

16.4 Stoffwechsel des Schwefels

16.5 Stoffwechsel des Phosphors

16.6 Standortbedingter Nährstoffmangel: Carnivorie

16.6.1 Kennzeichen carnivorer Pflanzen und Nährstoff-gewinn

16.6.2 Blattmetamorphosen als Fangorgane

16.6.3 Drüsenfunktionen zu Verdauung und Resorption

16.7 Anorganische Ionen als spezielle Standortfaktoren

16.7.1 Mineralstoffe und Pflanzen: Ein sich stürmisch entwickelndes Forschungsgebiet

16.7.2 Boden-pH

16.7.3 Alkalimetalle

16.7.4 Erdalkalimetalle

16.7.5 Eisen

16.7.6 Aluminium

16.7.7 Janusköpfige Metalle: Essenziell und toxisch

16.7.8 Hyperakkumulatoren von Metallen und ihre Nutzung zur Phytosanierung

16.7.9 Genetik

16.7.10 Anionen des Bor, Arsen und Selen

16.7.10.1 Bor

16.7.10.2 Arsen

16.7.10.3 Selen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 17 Salinität

17.1 Globale Dimensionen der Bodenversalzung

17.1.1 Natürliche Salzstandorte

17.1.2 Bodenversalzung als Problem der Welternährung

17.2 Schädigung, Toleranz und Resistenz

17.3 Ökophysiologische Reaktionen von der ganzen Pflanze bis zu den Molekülen

17.3.1 Die Ebene der ganzen Pflanze

17.3.2 Die Zellebene

17.3.3 Die Membranebene

17.3.4 Die molekulare Ebene

17.4 Genetik und Züchtung

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 18 Kompartimentierung, Vernetzung und Regulation des Stoffwechsels

18.1 Stoffwechselnetzwerke

18.1.1 Glykolyse

18.1.2 Vernetzung durch Rückkoppelung

18.2 Die Mechanismen der zellbiologischen Regulation des Stoffwechsels

18.3 Die Basis der metabolischen Regulation

18.4 Das Instrumentarium der metabolischen Regulation

18.4.1 Cofaktoren

18.4.2 Analoge Enzymreaktionen in getrennten Kompartimenten

18.4.3 Transportmetabolite

18.4.4 Enzymschalter und die Regulation der Stoff-flüsse

18.5 Vernetzung von Kompartimenten: Glykolyse – Atmung – Photosynthese

18.6 Leerlaufzyklen (futile cycles): Nutzen und Vermeidung

18.6.1 Nützliche Leerlaufzyklen

18.6.2 Ein schädlicher Leerlaufzyklus: Kombination des reduktiven und oxidativen Pentosphosphat-Zyklus

18.7 Metabolische Signale mit weitreichenden Wirkungen für Stoffwechsel, Wachstum und Entwicklung in der ganzen Pflanze

18.7.1 Kohlendioxid

18.7.2 Zucker

18.7.3 Stickstoff, Schwefel und Phosphor

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 19 Das Kontrollzentrum der Zelle: Der Zellkern mit den Chromosomen

19.1 Der Zellkern

19.2 Das Chromatin und die Chromosomen

19.3 Die Kern- und Zellteilung: Mitose

19.4 Polyploidie

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 20 Gene, Genome und Evolutionstheorien

20.1 Die Mendel’schen Regeln der Vererbung

20.2 Extrachromosomale Vererbung

20.3 Modifikationen und Mutationen

20.4 Regulation durch DNA

20.4.1 Genetischer Code

20.4.2 Autokatalytische Funktion der DNA: Replikation

20.4.3 Heterokatalytische Funktion der DNA: Transkription durch RNA-Polymerase

20.4.4 Translation und Proteinsynthese

20.4.5 Genome

20.4.6 Regulation

20.5 Evolutionstheorien

20.5.1 Charles Darwin: Der Ursprung der Arten – Von der künstlichen Selektion zur natürlichen Selektion

20.5.2 Die große Synthese in den 1940er Jahren

20.5.2.1 Populationsgenetik

20.5.2.2 Artbildung

20.5.3 Neuer Zustrom von Ideen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts

20.5.3.1 Punktualismus

20.5.3.2 Molekularbiologie und Molekulargenetik

20.5.4 Fazit

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Teil C: Pflanzenorganismen

Kapitel 21 Die Algen

21.1 Entwicklungstendenzen

21.1.1 Vegetative Entwicklungstendenzen und Lebensweisen der Algen

21.1.1.1 Monadale Organisationsstufe

21.1.1.2 Entwicklung von einzelligen Flagellaten zu mehrzelligen Kolonien mit Arbeitsteilung

21.1.1.3 Coccale Organisationsstufe: Verlust der freien Beweglichkeit

21.1.1.4 Trichale Organisationsstufe

21.1.1.5 Siphonale Organisationsstufe

21.1.1.6 Entwicklung von einfachen Zellfäden zu komplexen Thalli

21.1.2 Die generativen Entwicklungstendenzen

21.1.2.1 Mitosen, Sexualität und Meiose

21.1.2.2 Isogamie, Anisogamie, Oogamie

21.1.2.3 Gametangien und Sporangien

21.1.2.4 Generationswechsel

21.1.3 Übersicht

21.2 Mannigfaltigkeit – Systematik – Phylogenie

21.2.1 Abstammungsnetze

21.2.2 Subregnum Glaucobionta

21.2.3 Subregnum Rhodobionta, Abteilung Rhodophyta, Klasse Rhodophyceae

21.2.4 Anhänge zum Subregnum Rhodobionta

21.2.4.1 Abteilung Cryptophyta

21.2.4.2 Abteilung Dinophyta

21.2.4.3 Abteilung Haptophyta

21.2.5 Subregnum Heterokontobionta: Abteilung Heterokontophyta

21.2.5.1 Klasse Xanthophyceae

21.2.5.2 Klasse Chrysophyceae

21.2.5.3 Klasse Bacillariophyceae (Diatomeae, Kieselalgen)

21.2.5.4 Klasse Phaeophyceae (Braunalgen)

21.2.6 Subregnum Chlorobionta

21.2.6.1 Abteilung Chlorophyta

21.2.6.2 Anhang zur Abteilung Chlorophyta: Abteilung Euglenophyta

21.2.6.3 Abteilung Streptophyta, Unterabteilung Streptophytina

21.3 Ausblick auf die „höheren Pflanzen“

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 22 Der Übergang zum Landleben

22.1 Generelle Probleme und deren Lösung beim Übergang der Pflanzen vom Wasser- zum Landleben

22.1.1 Lagerpflanzen (Thallophyten) und Sprosspflanzen (Kormophyten)

22.1.2 Erfordernisse des Lebens an Land

22.2 Ur-Landpflanzen und von ihnen ausgehende Evolutionstendenzen

22.3 Moose

22.3.1 Allgemeine Merkmale

22.3.2 Systematik und Phylogenie der Moose

22.3.2.1 Thallose und foliose Lebermoose (Marchantiophytina)

22.3.2.2 Laubmoose (Bryophytina)

22.3.2.3 Hornmoose (Antocerotophytina)

22.3.3 Fortpflanzung und Vermehrung der Moose

22.3.4 Wasserhaushalt und Lebensweise der Moose

22.4 Evolution der Sprosspflanzen im Hinblick auf den Übergang zum Landleben

22.4.1 Rhynia – eine ursprüngliche Sprosspflanze

22.4.2 Telomtheorie

22.4.3 Stelärtheorie

22.4.4 Evolution der höheren Landpflanzen im Anschluss an die Landnahme

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 23 Schleimpilze und Pilze

23.1 Ernährungsweise

23.2 Strukturelle Merkmale von Pilzen

23.3 Vorkommen der Pilze

23.4 Bedeutung der Pilze

23.5 Ein systematischer Überblick

23.5.1 Organisationsform Schleimpilze

23.5.2 Organisationsform Pilze

23.5.2.1 Abteilung Oomycota

23.5.2.2 Subregnum Mycobionta

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 24 Der Generationswechsel bei Farnen, Gymnospermen und Angiospermen und die Evolution von Blüten, Samen und Früchten

24.1 Pteridophytina: Evolution der Blüten

24.1.1 Vegetative Entwicklungstendenzen

24.1.1.1 Gametophyten

24.1.1.2 Sporophyten

24.1.2 Generative Entwicklungstendenzen

24.1.2.1 Sporophylle, Sporangien und die Evolution von Blüten

24.1.2.2 Megasporen, Megaprothallien und die Evolution von Samen

24.2 Gymnospermen: Evolution der Samen

24.2.1 Pflanzengestalten der Gymnospermen

24.2.2 Blüten der Gymnospermen

24.2.3 Generationswechsel der Gymnospermen

24.2.4 Phylogenetische Tendenzen: Die Bedeutung der Evolution der Samen

24.3 Angiospermen: Evolution der Früchte

24.3.1 Das Auftreten der Angiospermen im Neophytikum: Die Angiospermenzeit

24.3.2 Der versteckte Generationswechsel der Angiospermen

24.3.2.1 Staubblätter und Pollenkörner

24.3.2.2 Fruchtknoten und Samenanlagen

24.3.2.3 Bestäubung, Befruchtung, Samenund Fruchtbildung

24.3.3 Mannigfaltigkeit der Bestäubungsmechanismen

24.3.4 Mannigfaltigkeit der Früchte

24.3.5 Entwicklungstendenzen im Blütenbau der Angiospermen

24.3.6 Gliederung der Angiospermen: Klasse Magnoliopsida

24.4 Zusammenfassender Überblick über die Klassen der Pteridophytina und Spermatophytina

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Teil D: Pflanzenorgane und Funktionen

Kapitel 25 Die Wurzel

25.1 Der äußere Bau der Wurzeln

25.2 Der innere Bau der Wurzeln

25.2.1 Wurzelhaube

25.2.2 Der Vegetationspunkt der Wurzel

25.2.3 Die Streckungs- und Differenzierungszone

25.2.4 Die Wurzelhaarzone

25.3 Seitenwurzeln

25.4 Das sekundäre Dickenwachstum der Wurzel

25.5 Die Aufnahme von Wasser und Nährsalzen durch die Wurzeln

25.5.1 Boden

25.5.2 Radialer Transport von Wasser und Nährstoffen durch die Wurzeln

25.6 Die Metamorphosen der Wurzel

25.7 Signalübertragung in der Rhizosphäre: Allelopathie

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 26 Die Sprossachse

26.1 Die äußere Gliederung der Sprossachse

26.2 Die Verzweigung der Sprossachse

26.3 Der Vegetationskegel

26.3.1 Regulation der Stammzellenpopulation

26.3.2 Determination, Differenzierung und Streckung der vom SAM abgegebenen Zellen

26.4 Der Bau der primären Sprossachse

26.4.1 Gewebe der primären Sprossachse

26.4.2 Leitbündel

26.4.2.1 Xylem

26.4.2.2 Phloem

26.4.2.3 Anordnung der Leitbündel

26.5 Das sekundäre Dickenwachstum

26.5.1 Das Kambium

26.5.2 Holz

26.5.3 Sekundäre Rinde (Bast)

26.5.4 Sekundäres und tertiäres Abschlussgewebe

26.5.5 Sekundäres Dickenwachstum der Monokotyledonen

26.6 Die Metamorphosen der Sprossachse

26.7 Die physiologischen Leistungen der Sprossachse

26.7.1 Wassertransport im Xylem

26.7.1.1 Transpiration

26.7.1.2 Transpirationsstrom

26.7.1.3 Kräftebedarf

26.7.1.4 Kohäsion und Adhäsion der Wassermoleküle im Xylem

26.7.1.5 Wasser- und Nährsalzversorgung durch die Leitbahnen des Xylems

26.7.1.6 Xylemtransport unter Druck: Guttation

26.7.2 Ferntransport der Assimilate im Phloem

26.7.2.1 Transportierte Stoffe

26.7.2.2 Mechanismus des Assimilattransports

26.7.2.3 Beladen und Entladen des Phloems

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 27 Das Blatt

27.1 Entwicklung der Blätter

27.2 Blatttypen: Ein Überblick

27.3 Keimblätter und Niederblätter

27.4 Laubblätter

27.4.1 Äußere Gestalt

27.4.2 Innerer Aufbau der Blattspreite

27.4.2.1 Epidermis

27.4.2.2 Mesophyll

27.5 Hochblätter

27.6 Phyllotaxis: Stellung und Ausrichtung der Blätter

27.7 Metamorphosen des Blattes

27.8 Funktionsweise der Blätter

27.8.1 Liebigs „Gesetz des begrenzenden Faktors“

27.8.1.1 Lichtsättigungskurve der Photosynthese

27.8.1.2 Sonnen- und Schattenpflanzen

27.8.1.3 Einfluss der Temperatur auf die Photosynthese

27.8.1.4 Einfluss der CO2 -Konzentration auf die Photosynthese

27.8.2 Gasaustausch

27.8.2.1 Diffusionswiderstände

27.8.2.2 Einfluss äußerer und innerer Faktoren auf die Spaltöffnungsbewegungen

27.8.3 Wasserverlust und CO2 -Aufnahme – ein Dilemma der Landpflanzen

27.8.3.1 Morphologisch-anatomische Auswege aus dem Dilemma: Xerophyten

27.8.3.2 Physiologische Auswege aus dem Dilemma: Austrocknungstoleranz

27.8.4 Anpassung an Wasserüberschuss: Hygrophyten, Hydrophyten, Rheophyten

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 28 Kohlendioxid-Konzentrierungs-mechanismen

28.1 Erdgeschichtlicher Rückblick auf die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre

28.2 Cyanobakterien

28.3 Algen

28.4 Einfluss der CO2 -Konzentration in der Luft auf die Photosynthese der Landpflanzen

28.5 Chloroplasten von C3 -Pflanzen

28.6 C4 -Photosynthese und Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM): Das Grundprinzip der CO2 -Konzentrierungs-mechanismen

28.7 C4 -Photosynthese

28.7.1 Strukturelle Grundlagen

28.7.2 Drei Routen des anorganischen Kohlenstoffs bei der Konzentrierung in C4 -Pflanzen

28.7.2.1 Der NADP-Malat-Enzym-Typ

28.7.2.2 Der NAD-Malat-Enzym-Typ

28.7.2.3 Der PEP-Carboxykinase-Typ

28.7.2.4 Noch zwei wichtige Details: Verhinderung der CO2 -Rückdiffusion und die Redoxenergie der agranalen Chloroplasten

28.7.3 C3 -C4 -intermediäre Pflanzen und der CO2 -Konzentrierungsmechanismus der C2-Photo-synthese

28.7.4 C4 -Photosynthese in einzelnen Zellen

28.7.5 Ökophysiologische Vorteile der C4 -Photosynthese

28.8 Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM)

28.8.1 CAM-Phasen und CAM-Modi

28.8.2 Die biochemischen Reaktionswege des CAM-Zyklus

28.8.2.1 Der Kohlenhydrat-Zyklus

28.8.2.2 Der Zyklus der organischen Säure bei Malatbildung

28.8.2.3 Der Zyklus der organischen Säure bei Citrat-Bildung

28.8.2.4 Regulation des Säurestoffwechsels am Tage

28.8.3 Ökophysiologische Vorteile des CAM

28.9 Evolution von C4 -Photosynthese und CAM

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 29 Partnerbeziehungen: Symbiose, Parasitismus, Krankheit

29.1 Definitionen und allgemeine Gesichtspunkte

29.2 Symbiosen

29.2.1 N2 -fixierende Symbiosen

29.2.1.1 N2 -fixierende Symbiosen zwischen Eubakterien und höheren Pflanzen

29.2.1.2 Rhizobiaceae/Fabales-Symbiosen

29.2.1.3 Actinorhiza

29.2.1.4 N2 -fixierende Symbiosen der Cyanobakterien

29.2.2 Interaktion zwischen Pilzen und Wurzeln: Die Mykorrhiza

29.2.2.1 Formen der Mykorrhiza

29.2.2.2 Rückblick

29.2.3 Ektosymbiose zwischen Pilzen und Algen: Die Flechten (Lichenes)

29.2.3.1 Struktur und Fortpflanzung der Flechten

29.2.3.2 Stoffwechselphysiologische Aspekte der Flechtensymbiose

29.2.3.3 Biologie und Ökophysiologie der Flechten

29.2.4 Phycosymbiosen: Zusammenleben von Algen und wirbellosen Tieren

29.2.4.1 Dinoflagellaten als Endosymbionten

29.2.4.2 Grünalgen als Endosymbionten

29.2.4.3 Diebische Schnecken: Die Kleptochloroplasten

29.3 Parasitismus

29.3.1 Halbschmarotzer (Hemiparasiten)

29.3.2 Vollschmarotzer (Holoparasiten)

29.4 Pflanzenkrankheiten

29.4.1 Phytopathogenese

29.4.2 Krankheitserreger bei Pflanzen: Phytopathogene

29.4.2.1 Phytopathogene Pilze

29.4.2.2 Phytophathogene Bakterien

29.4.2.3 Phytopathogene Viren und Viroide

29.4.3 Die Infektion

29.4.4 Die Abwehr

29.4.4.1 Präformierte Abwehrmechanismen

29.4.4.2 Induzierbare Abwehrmechanismen

29.4.5 Chemische Waffen des Angreifers: Lytische Enzyme, Phytotoxine, Phytohormone

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Teil E: Pflanzen in ihren Lebensräumen

Kapitel 30 Allgemeine Pflanzenökologie

30.1 Inhalt und Geschichte des Ökologie-Begriffs

30.2 Autökologie: Der Einzelorganismus in seiner Umwelt

30.2.1 Standort und Standortfaktoren

30.2.2 Grundfragen der Autökologie

30.3 Synökologie: Die Pflanze als Bestandteil eines biologischen Systems

30.3.1 Der Biotop

30.3.2 Die Biozönose

30.3.2.1 Biotische Faktoren

30.3.2.2 Strukturierung von Biozönosen

30.3.2.3 Konkurrenz und ökologische Nische

30.3.3 Die Ökosysteme und ihre Stoffkreisläufe

30.3.3.1 Stoff - und Energieflüsse in Ökosystemen

30.3.3.2 Nahrungsnetze und Nahrungskreisläufe

30.4 Populationsökologie

30.4.1 Strukturmerkmale einer Population: Abundanz, Dispersion, Altersstruktur

30.4.2 Wachstum von Populationen

30.4.3 Genetische Aspekte der Populationsökologie

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 31 Vegetation der Erde: Horizontale und vertikale Gliederung

31.1 Die Bedeutung des Klimas und daraus abgeleitete Grundbegriffe

31.2 Einzeldarstellungen der Zonobiome und Vegetationszonen

31.2.1 Das äquatoriale Zonobiom (I): Immergrüne tropische Feuchtwälder

31.2.2 Das tropische Zonobiom (II): Tropische Wälder und Savannen

31.2.3 Tropische Pedobiome, besonders Mangroven

31.2.4 Das subtropisch-aride Zonobiom (III): Wüsten-vegetation

31.2.5 Das Zonobiom des mediterranen Klimatyps (IV): Hartlaubvegetation

31.2.6 Warm und kalt temperierte Zonobiome (V und VIII): Temperate Regenwälder

31.2.7 Typisch temperiertes nemorales Zonobiom (VI): Sommergrüne Laubwälder

31.2.8 Arid temperiertes kontinentales Zonobiom (VII): Steppen und Wüsten

31.2.9 Das kalt temperierte, boreale Zonobiom (VIII): Immergrüne Nadelwälder

31.2.10 Arktisch/antarktisches Zonobiom (IX): Tundra

31.2.11 Arktische und antarktische Kältewüsten

31.2.12 Temperate Pedobiome

31.2.13 Die azonale Vegetation der Orobiome: Gebirge

31.2.13.1 Die Alpen

31.2.13.2 Tropische Hochgebirge

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 32 Pflanzensoziologie

32.1 Definition des Begriffs und Forschungsziele

32.2 Die pflanzensoziologische Methode

32.2.1 Die Vegetationsaufnahme

32.2.2 Herausarbeiten der floristischen Ähnlichkeit von Pflanzengemeinschaften

32.2.3 Systematisierung von Pflanzengesellschaften

32.2.4 Korrelation zwischen Pflanzengesellschaften und den ökologischen Standortbestimmungen

32.2.5 „Vergesellschaftung der Gesellschaften“: Sigmasoziologie

32.2.6 Stadtökologie

32.3 Dynamik von Pflanzengesellschaften: Sukzession

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 33 Umweltfaktoren

33.1 Umweltfaktoren als Substrate und Energiequellen, als Stressoren und als Signale

33.2 Das biologische Stresskonzept

33.3 Interaktionen der physikalischen Umweltfaktoren

33.4 Spezielle Anpassungen

33.4.1 Wasser

33.4.1.1 Überflutung

33.4.1.2 Austrocknung

33.4.2 Temperatur

33.4.2.1 Temperaturabhängigkeit der Lebensvorgänge

33.4.2.2 Kälte- und Frosthärtung

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Teil F: Signal-Reaktions-Koppelungen

Kapitel 34 Wachstum, Entwicklung, Altern und Tod

34.1 Einzeller, annuelle und perennierende Pflanzen

34.2 Symmetriebrechung und Polaritätsinduktion

34.3 Differenzierung, Korrelationen und Musterbildung

34.4 Zell- und Gewebekulturen und die Totipotenz somatischer Zellen

34.5 Von der Samenkeimung bis zur Samenbildung, zum Altern und zum Tod

34.5.1 Samenkeimung

34.5.2 Fruchtwachstum und Samenbildung

34.5.3 Programmierter Zelltod (Apoptose)

34.5.4 Seneszenz und Abscission

34.5.5 Altern und Tod der ganzen Pflanze

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 35 Signale: Eingang und Verarbeitung

35.1 Physikalische Außenfaktoren

35.1.1 Die Organe der Reizaufnahme

35.1.2. Die physikalischen Außenfaktoren Temperatur und Licht

35.1.2.1 Signalwirkung der Temperatur: Stratifikation und Vernalisation

35.1.2.2 Lichtwirkungen

35.2 Ein molekulargenetisches Regulationsnetz: Verarbeitung von Temperatur- und Lichtsignalen zur Blühinduktion

35.3 Primäre und sekundäre molekulare Botschafter und Signalnetze

35.3.1 Primäre molekulare Botschafter: Die Phytohormone

35.3.1.1 Die Botschafternatur der Phytohormone: Signaltransport

35.3.1.2 Die chemische Charakterisierung der Phytohormone

35.3.1.3 Die Rezeptoren der Phytohormone

35.3.1.4 Die Wirkungen der Phytohormone

35.3.1.5 Der Nachweis von Phytohormonen: Biologische Tests

35.3.1.6 Die Wirkungsweise der Phytohormone: Molekulares Signalnetz

35.3.2 Sekundäre molekulare Botschafter

35.4 Die Ausbreitung molekularer Signale und Musterbildung

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 36 Physikalische Signale

36.1 Aktionspotenziale

36.2 Erregungsleitung

36.3 Reaktionen

36.4 Formative Wirkungen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 37 Die Ausnutzung des Lebensraums: Die Bewegungen

37.1 Einteilungsprinzipien

37.2 Reizarten

37.3 Äußerer Bewegungsverlauf und Reaktionsarten

37.4 Bewegungsmechanismen

37.5 Freie Ortsbewegungen

37.5.1 Chemotaxis

37.5.2 Phototaxis

37.6 Tropistische Bewegungen an den Standort gebundener Pflanzen

37.6.1 Gravitropismus

37.6.1.1 Nachweis des Gravitropismus

37.6.1.2 Reizaufnahme und Bewegungsmechanismus

37.6.2 Phototropismus

37.6.2.1 Photorezeptoren lichtgesteuerter Bewegungs-reaktionen

37.6.2.2 Linsenwirkungen beim positiven Phototropismus von Pilzen

37.6.2.3 Positiver Phototropismus von Farn-Chloronemen: Polarotropismus

37.6.2.4 Der Phototropismus höherer Pflanzen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 38 Chronobiologie

38.1 Historische Reminiszenzen

38.2 Grundbegriffe

38.3 Phänomene

38.4 Ultradiane Rhythmen

38.5 Circadiane Rhythmen

38.6 Harmonische Schwingungen, stochastische Resonanz und deterministisches Chaos

38.6.1 Stochastische Resonanz

38.6.2 Deterministisches Chaos

38.7 Die Regulationsnetzwerke circadianer Rhythmik

38.7.1 Eingangs-, Oszillator- und Ausgangsnetzwerke

38.7.2 Genetische Fixierung der Periodenlänge

38.7.3 Die biologische Uhr als molekulares Rück-koppelungssystem mit Genregulation

38.8 Eine einzige zentrale Uhr oder viele selbstständige Oszillatoren?

38.8.1 Systeme von Oszillatoren

38.8.2 Unterschiedliche Typen von Oszillatoren

38.8.3 Viele Kopien ein und desselben Oszillators

38.9 Funktionelle Bedeutung und Evolution der biologischen Uhren

38.9.1 Evolution der biologischen Uhren

38.9.2 Funktionen biologischer Uhren

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 39 Nichtlineare Dynamik und Systembiologie

39.1 Vorbemerkung und Begriffe

39.2 Nichtlineare Dynamik und Netzwerke

39.3 Die „Omics“ der Systembiologie und die Notwendigkeit theoretischer Ansätze

39.4 Kippende Zustände: Musterbildung durch Synchronisation/Desynchronisation von Oszillatoren

39.5 Deterministisches Chaos: Attraktoren und Regulation

39.6 Selbstähnlichkeit fraktaler Strukturen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Teil G: Pflanzen und aktuelle Herausforderungen

Kapitel 40 Motive für die Arbeit mit Pflanzen

40.1 Ursprünge und Ausblicke

40.1.1 Historische Wurzeln

40.1.2 Fragen und Antworten

40.2 Die Nutzung der Primärproduktion der Pflanzen

40.3 Der Verlust von Anbauflächen und die Nutzung extremer Standorte

40.4 Ein Beispiel: Sturzflutlandwirtschaft in der Wüste

40.5 Energieversorgung

40.6 Globale Veränderungen

40.6.1 Diagnosen

40.6.2 Biodiversität

40.6.3 Klimaänderungen

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 41 Der Weg von der konventionellen zur molekularen Biotechnologie: Neue Verfahren der Gewinnung pflanzlicher Produkte

41.1 Sammler

41.2 Pflanzenbauer

41.3 Biotechnologie unabhängig von der molekularbiologischen Revolution

41.3.1 Konventionelle Pflanzenzüchtung: Künstliche Selektion

41.3.2 Neue Verfahren der konventionellen Biotechnologie

41.3.2.1 Von der Hydrokultur zur Gewebekultur

41.3.2.2 Haploidenzüchtung

41.3.2.3 Somatische Hybridisierung

41.4 Molekulare Biotechnologie

41.4.1 Isolierung und Klonierung von Genen

41.4.2 Transformation: Neue Eigenschaften in Empfänger-pflanzen

41.4.2.1 Zielorte: Kerngenom und Plastidengenom

41.4.2.2 Wege der Transformation

41.4.2.3 Agrobacterium tumefaciens und sein Plasmid als Vektor für den Gentransfer

41.4.3 Unterdrückung vorhandener Eigenschaften: Die Antisense- und die RNA-Interferenz-Technik

41.4.4 Selektion, Regeneration und Austesten transgener Pflanzen

41.5 Neue Produkte der molekularbiologischen Revolution

41.6 Nutzen und Risiken, Segen und Fluch: Die Ambivalenz unseres Tuns

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Kapitel 42 Pflanzen als Ideengeber für Problemlösungen in der Technik: Bionik

42.1 Was ist Bionik?

42.1.1 Historische Aspekte

42.1.2 Merkmale der Bionik

42.1.3 Vorgehensweisen der Bionik

42.2 Abstraktions-Bionik („bottom-up approach“)

42.2.1 Der Klettverschluss

42.2.2 Der Selbstreinigungseffekt („Lotuseffekt“)

42.2.3 Der „technische Pflanzenhalm“

42.2.4 Kieselalgen als Ideengeber

42.3 Analogie-Bionik („top-down approach“)

42.3.1 Strukturen mit Binnendruck: Der Pneu

42.3.2 Schwachstellen in technischen Konstruktionen vermeiden: Bäume als Vorbild

42.3.3 Von den Pflanzen das Fliegen lernen

42.3.4 Licht: Nutzung einer unerschöpflichen Energie-quelle

42.3.5 Analogie-Bionik auf molekularer Ebene

42.3.6 Die Evolution als Vorbild für Optimierungs-verfahren

42.4 Grenzen der Bionik

Zusammenfassung und Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Sachverzeichnis

EULA