Aufgabe 1 – Weizen – eine salzsensible Kulturpflanze
Weizen (Triticum aestivum) ist eine wirtschaftlich bedeutsame Kulturpflanze. Der Verlust geeigneter Anbauflächen ist ein aktuelles Problem, das die gesicherte Ernährung der Menschheit in Zukunft weiter gefährden wird. Dieses Problem wird durch die zunehmende Bodenversalzung zusätzlich verschärft.
Erläutere den Einfluss eines abiotischen und eines biotischen Umweltfaktors auf den Weizenertrag (M 1).
Plane einen Modellversuch zur Überprüfung der Hypothese aus Material 2.
Begründe deine Planungsschritte (M 2).
Führe den Modellversuch durch (M 2).
Hinweis:
Sollte dir die Planung und/oder die Durchführung nicht gelingen oder sollten dir die Ergebnisse unbrauchbar erscheinen, kannst du Ersatzergebnisse von der Aufsicht führenden Lehrkraft anfordern. Für die Planung und Durchführung werden in diesem Fall bis zu 13 Bewertungseinheiten nicht erteilt.
Skizziere und beschrifte die mikroskopisch beobachtbaren Veränderungen (M 2).
Hinweis:
Nach Fertigstellung der Zeichnung ist das Präparat unter dem Mikroskop der Aufsicht führenden Lehrkraft vorzuzeigen.
Leite aus dem Modellversuch die Auswirkungen einer erhöhten Salzkonzentration im Bodenwasser auf die Assimilatproduktion und damit den Weizenertrag ab (M 2).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?M 1 – Umweltfaktoren des Weizens
Eine Vielzahl von Umweltfaktoren hat Einfluss auf den Weizen (Triticum aestivum). Ein Ausschnitt aus dem Beziehungsgefüge zwischen Weizenpflanze und Umwelt ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Ausgewählte Umweltfaktoren des Weizens
M 2 – Modellversuch zu den Auswirkungen der Bodenversalzung
Durch intensive Bewässerung werden vermehrt im Wasser gelöste Salze wie Natriumchlorid (NaCl) auf Felder gebracht und konzentrieren sich nach der Verdunstung des Wassers im Boden. Durch den Einsatz von Streusalz im Winter wird das Problem verstärkt, da Natriumchlorid von Straßen und Wegen auf Felder gelangt. Besonders in trockenen Gebieten wird diese zusätzliche Salzbelastung nicht vollständig ausgewaschen. Stattdessen führen geringe Niederschlagsmengen, die auf salzbelastete Böden fallen, zu hochkonzentrierten Salzlösungen im Wurzelbereich. Weizen reagiert empfindlich auf einen erhöhten Salzgehalt und ist daher als salzsensible Art zu charakterisieren.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Schädigung der Wurzelhaarzellen des Weizens bei Kontakt mit hochkonzentrierter Natriumchlorid-Lösung eintreten wird. Die Ursache dafür wird in der osmotischen Wirksamkeit hochkonzentrierter Salzlösungen auf pflanzliche Zellen vermutet.
Dir stehen für einen Modellversuch folgende Geräte und Materialien zur Verfügung:
Geräte: Lichtmikroskop, Objektträger, Deckgläschen, Bechergläser, Pasteurpipetten, Präparierbesteck, Küchenmesser, schnittfeste Unterlage, Filterpapier, weißes Papier DIN A4
Materialien: Rote Küchenzwiebel, Leitungswasser, gesättigte Natriumchlorid-Lösung
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Einfluss von Lichtenergie und Symbionten auf Assimilatproduktion und Weizenertrag:
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Lichtenergie wird in den lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese benötigt, um die Voraussetzungen für die Produktion von Glukose im Calvin-Zyklus zu ermöglichen, die in Weizenkörnern als Stärke gespeichert wird → Steht zu wenig Lichtenergie zur Verfügung, werden weniger Assimilate gebildet und der Ertrag fällt geringer aus.
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Symbionten wie z. B. Pilze der Gattung Glomus unterstützen durch Stoffaustausch die Assimilatproduktion der Weizenpflanze, sodass diese mehr Stärke in den Weizenkörnern einlagern kann und der Ertrag höher ausfällt.
Modellversuch zur Überprüfung der Hypothese aus M2:
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Anfertigen und mikroskopieren eines Präparats der Epidermis der roten Küchenzwiebel in Leitungswasser
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Epidermiszellen der roten Küchenzwiebel dienen als Modell für Pflanzenzellen in unterschiedlich konzentrierten Lösungen
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Leitungswasser modelliert ein nicht von übermäßiger Bodenversalzung betroffenes Milieu und dient als Kontrollversuch
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Gesättigte NaCl-Lösung modelliert eine starke Salzbelastung der Bodenlösung
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Leitungswasser muss dann gegen die gesättigte NaCl-Lösung ausgetauscht werden oder es wird ein zweites Präparat aus demselben Gewebe in gesättigter NaCl-Lösung statt Leitungswasser angefertigt
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Nach kurzer Wartezeit wird erneut mikroskopiert. Alle anderen Parameter bleiben unverändert, um ausschließlich die Auswirkungen der höheren Salzkonzentration auf Pflanzenzellen zu überprüfen
Durchführung des Modellversuchs:
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Herstellung der Präparate
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Einstellung Mikroskop
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Qualität des Präparats in NaCl-Lösung
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sachgerechte Arbeitsweise unter Berücksichtigung der Sicherheitsbestimmungen
Hinweis: Bei Anforderung der Ersatzergebnisse durch den Prüfling werden bis zu 13 dieser Bewertungseinheiten nicht erteilt. Die Vergabe der Bewertungseinheiten durch die prüfende Person erfolgt entsprechend.
Auswirkungen erhöhter Salzkonzentration auf Assimilatproduktion und Weizenertrag:
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die Beobachtungen aus dem Modellversuch beruhen auf einem Wasserausstrom aus der Zellsaftvakuole, der sich auch bei einer erhöhten Salzkonzentration im Bodenwasser einer Wurzelhaarzelle der Weizenpflanze einstellt
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Schädigung der Wurzelhaarzelle durch Wasserverlust aufgrund osmotischer Wirksamkeit der gesättigten NaCl-Lösung und damit Bestätigung der Hypothese aus M2
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Wasseraufnahme über Wurzelhaarzelle nicht mehr möglich
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Wassermangel in der Weizenpflanze → Schließen der Stomata → kein bzw. weniger Kohlenstoffdioxid wird aufgenommen und im Calvin-Zyklus fixiert → geringere Glukosebildung → geringere Stärkebildung → geringere Assimilatproduktion → Weizenertrag nimmt ab