Aufgabe A – Das C4-Reisprojekt
Wissenschaftler des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie (MPI-MP) sind Teil eines internationalen C4-Reisprojekts. Ziel ist es, eine Reissorte zu entwickeln, die bis zu 50 % mehr Ertrag bringt und härtere Umweltbedingungen aushält. Aufgrund des prognostizierten Bevölkerungswachstums muss der Ertrag pro Flächeneinheit um fast 60 % gesteigert werden. Eine Möglichkeit die Reiserträge zu steigern besteht darin, die Fotosynthese effektiver zu gestalten, indem sie die C3-Pflanze Reis in eine C4-Pflanze umwandeln.
Vergleiche die Blattquerschnitte einer C3- und einer C4-Pflanze tabellarisch anhand selbstgewählter Kriterien unter Verwendung von M 1.
Gib die Bedeutung der Primärreaktion für den Verlauf der Fotosynthese an. Stelle anhand von M 2 Unterschiede der CO2-Fixierung bei C3- und C4-Pflanzen gegenüber.
Reis enthält Produkte der Fotosynthese.
Mikroskopiere das Präparat eines Reiskorns nach der Anleitung (M 3).
Zeige das mikroskopische Bild des gefärbten Präparates der aufsichtführenden Lehrkraft.
Fertige eine Skizze entsprechend deinen mikroskopischen Beobachtungen an.
Begründe die Verwendung von LUGOLscher Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung).
Werte die Abb. 4 und Abb. 5 (M 4) hinsichtlich der Fotosynthese-Leistungen bei C3- und C4-Pflanzen aus.
Diskutiere den Ansatz der Forscher, durch die Umwandlung von Reis zur C4-Pflanze die Erträge zu steigern.
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Blattquerschnitte von C3- und C4-Pflanzen
Abb. 1: Blattquerschnitt einer C3-Pflanze
Abb. 2: Blattquerschnitt einer C4-Pflanze
Material 2: CO2-Fixierung bei C3- und C4-Pflanzen
Abb. 3: CO2-Fixierung bei C3- und C4-Pflanzen (stark vereinfacht)
Material 3: Anfertigung eines Präparats
Geräte und Chemikalien:
Vorgequollene Reiskörner, Pipette, zwei Objektträger, Deckglas, Hilfsmittel (z. B. Skalpell, Spatel, o. ä.), Wasser, LUGOLsche Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung), Mikroskop
Durchführung:
Entnimm ein vorgequollenes Reiskorn und fertige daraus ein Quetschpräparat an. Gib einen Tropfen LUGOLsche Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung) dazu.
Material 4: Abhängigkeiten der Fotosyntheseraten von C3- und C4-Pflanzen
Abb. 4: Fotosyntheserate in Abhängigkeit von der Temperatur
Abb. 5: Fotosyntheserate in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt der Atmosphäre
Material 5: Chancen des C4-Reisprojektes
Die wachsende Weltbevölkerung sowie der Rückgang landwirtschaftlich nutzbarer Flächen gepaart mit den prognostizierten Folgen des Klimawandels und der damit verbundenen Erhöhung von CO2-Konzentration und Temperatur erfordern neue Konzepte zur Ertragssicherung.
„Ein Ansatz könnte darin bestehen C3-Pflanzen die Möglichkeit zur C4-Fotosynthese zu verleihen“, sagt Prof. Dr. Mark Stitt vom MPI-MP, „Dies erfordert jedoch sehr genaue Kenntnisse zur Entstehung dieser Fotosyntheseform.“
Aus diesem Grund hat ein internationales Forscherteam detaillierte Analysen an Blättern von Reis durchgeführt.
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Vergleich unter Verwendung von M 1:
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C3-Pflanzen |
C4-Pflanzen |
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|---|---|---|
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Grundaufbau |
obere (A) und untere (D) Epidermis, mehrschichtiger Aufbau, Interzellulare (E), Leitbündel (G) und Spaltöffnungen (F) |
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Gewebetypen |
Palisaden- (B) und Schwammgewebe (C) |
Mesophyll- und Bündelscheidenzellen |
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Lage der Leitbündel |
im Palisaden- und Schwammgewebe eingebettet |
von Bündelscheidenzellen umhüllt |
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Lage der Spaltöffnungen |
in der unteren Epidermis |
in der oberen und unteren Epidermis |
Bedeutung der Primärreaktion:
Primärreaktion als Voraussetzung für die Sekundärreaktion:
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Umwandlung Lichtenergie → chemische Energie
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Bereitstellung von Energie in Form von ATP
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Bindung von H+ an NADP
Gegenüberstellung:
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C3-Pflanzen |
C4-Pflanzen |
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|---|---|---|
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CO2-Fixierung |
in Palisaden- und Schwammzellen |
in Mesophyllzellen und Bündelscheidenzellen |
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Calvin-Zyklus |
in Palisaden- und Schwammzellen |
in Bündelscheidenzellen |
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CO2-Fixierung durch Enzym |
RuBisCO |
CO2-Fixierung durch Enzym PEP-Carboxylase in Mesophyllzellen und RuBisCO in Bündelscheidenzellen |
Bewertet wird:
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Umgang mit dem Mikroskop, Qualität des Präparats
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Beobachtungsskizze von Stärkekörnern
Begründung der Verwendung von Iod-Kaliumiodid-Lösung:
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Nachweis von Stärke, bessere Sichtbarkeit
Beispiel / Ersatzergebnis für das Präparat unter dem Mikroskop
Abbildung 4:
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Dargestellt ist die Fotosyntheserate in Abhängigkeit von der Temperatur bei C3- und C4-Pflanzen.
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Bei C4-Pflanzen steigt die Fotosyntheserate von ca. 0,5 r.E. (bei ca. 10 °C) auf 1,7 r.E. (bei 38 °C) und sinkt dann wieder.
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Bei C3-Pflanzen steigt die Fotosyntheserate von ca. 0,3 r.E. (bei ca. 4 °C) auf 1,3 r.E. (bei 30 °C) und sinkt dann wieder.
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C4-Pflanzen steigern die Fotosyntheserate bei hohen Temperaturen besser als C3-Pflanzen.
Abbildung 5:
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Dargestellt ist die Abhängigkeit der Nettofotosynthese in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration für C3- und C4-Pflanzen.
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Bei C4-Pflanzen steigt mit zunehmender CO2-Konzentration bis 380 ppm die Nettofotosynthese auf ca. 55 μmol und stagniert dann (eine weitere Erhöhung der CO2-Konzentration führt nicht weiter zur Erhöhung der Nettofotosynthese). Die C4-Pflanzen erreichen bei einer wesentlich geringeren CO2-Konzentration ihre maximale Nettofotosynthese.
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Bei C3-Pflanzen beginnt die Nettofotosynthese bei einer CO2-Konzentration von ca. 100 ppm, steigt dann bis zu einer CO2-Konzentration von 1000 ppm auf einen Nettowert von ca. 60 μmol. Ab einer CO2-Konzentration von ca. 750 ppm übersteigt die Nettofotosynthese der C3-Pflanzen die der C4-Pflanzen.
Pro:
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Bei steigenden Temperaturen arbeiten die C3-Pflanzen weniger wirkungsvoll. C4-Pflanzen sind besser in der Lage, ihre Fotosynthese-Rate zu steigern.
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In Folge der Erderwärmung können C4-Pflanzen ihre Fotosynthese-Produktion weiter erhöhen.
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Bei derzeitiger CO2-Konzentration haben C4-Pflanzen eine höhere Fotosynthese-Leistung (höhere Erträge).
Contra:
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Bei stark steigendem CO2-Gehalt in der Luft werden C3-Pflanzen leistungsfähiger sein als C4-Pflanzen.
Fazit:
Der Ansatz der Forscher, Reis die Möglichkeit zur C4-Fotosynthese zu verleihen, könnte zur Steigerung der Erträge führen, weil mehr CO2 in den C4-Pflanzen auch bei hohen Temperaturen fixiert wird.