Aufgabe 4 – Frostschutz beim Gewöhnlichen Gänseblümchen
Das Gewöhnliche Gänseblümchen (Bellis perennis) ist eine ausdauernde Pflanze, die europaweit vorkommt. Es verfügt über eine besondere blattmorphologische Angepasstheit, die sich mikroskopisch darstellen lässt.
Skizziere und beschrifte die idealisierte Temperatur-Toleranzkurve, wie sie beim Gewöhnlichen Gänseblümchen vorkommen könnte (M 11).
Erläutere je eine stoffwechselphysiologische und zellanatomische Auswirkung beim Gefrieren des Wassers im Protoplasten einer Pflanzenzelle (M 12).
Erkläre die blattmorphologischen Merkmale A und B als Angepasstheiten von Pflanzen an den Umweltfaktor Temperatur (M 13).
Untersuche mit Hilfe eines Frischpräparats der Laubblattoberfläche die morphologische Frostschutzstrategie des Gewöhnlichen Gänseblümchens (M 13, M 14).
Hinweis: Sollte dir die Herstellung des Frischpräparats und/oder dessen Mikroskopie nicht gelingen oder sollten dir deine Ergebnisse unbrauchbar erscheinen, kannst du ein Ersatzergebnis gegen die Nichterteilung von 8 Bewertungseinheiten von der Aufsicht führenden Fachlehrkraft anfordern.
Stelle einen Gewebeausschnitt in einer mikroskopischen Zeichnung dar, aus dem sich die Frostschutzstrategie beim Gewöhnlichen Gänseblümchen ergibt (M 14).
Hinweis: Nach Fertigstellung der Zeichnung ist das Präparat unter dem Mikroskop der Aufsicht führenden Fachlehrkraft vorzuzeigen.
Leite auf Basis deiner Untersuchungsergebnisse die blattmorphologische Frostschutzstrategie (A oder B) des Gewöhnlichen Gänseblümchens ab (M 13, M 14).
Stelle eine Hypothese zur evolutionsbiologischen Bedeutung dieses blattmorphologischen Merkmals für das Gewöhnliche Gänseblümchen auf (M 11, M 12).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?M 11 Das Gewöhnliche Gänseblümchen (Bellis perennis)
Die Gänseblümchen (Bellis) bilden eine Pflanzengattung mit mehr als zehn verschiedenen Arten, die im Mittelmeerraum vorkommen. Nur das Gewöhnliche Gänseblümchen (Bellis perennis) ist auch in weiten Teilen Nord- und Mitteleuropas verbreitet.
Das Gewöhnliche Gänseblümchen ist eine krautige Pflanze mit einer Wuchshöhe von etwa 10-15 cm, die vom Flachland bis ins Hochgebirge vorkommt. Der Artname „perennis“ bedeutet „ausdauernd“ und verdeutlicht, dass die Pflanze über mehrere Jahre hinweg lebens- und fortpflanzungsfähig ist. Gewöhnliche Gänseblümchen stellen kaum Ansprüche an den Umweltfaktor Temperatur. Sie können Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt ertragen und gedeihen auch bei hochsommerlicher Hitze. Die Laubblätter sind auf dem Boden dicht zueinander im Kreis angeordnet, was als Blattrosette bezeichnet wird. Die Überwinterung der Pflanze erfolgt in einer solchen Blattrosette. Beim Gewöhnlichen Gänseblümchen können nahezu das gesamte Jahr hindurch Blüten beobachtet werden.
Die Pflanze bevorzugt nährstoffreiche Böden, ist trittfest und robust gegenüber Verbiss durch Nutztiere. Daher kommt sie als typischer Kulturfolger des Menschen sehr weit verbreitet vor.
M 12 Erfrierungen im Protoplasten
Den Zellinhalt einer Pflanzenzelle mit Ausnahme der Zellwand bezeichnet man als Protoplasten. Protoplasten enthalten viel Wasser. Je nach Zelltyp variiert der Wassergehalt in pflanzlichen Zellen, beträgt bei mesophytischen Landpflanzen aber in der Regel mehr als 90 %. Werden im Protoplasten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erreicht, wechselt der Aggregatzustand des Wassers von flüssig zu fest und es entstehen scharfkantige Eiskristalle. Um Erfrierungen im Protoplasten zu vermeiden, sind vielfältige Angepasstheiten entwickelt worden. Neben intrazellulären Schutzmechanismen (z. B. erhöhte Einlagerung von Zucker in Zellen) existieren auch blattmorphologische Angepasstheiten.
M 13 Frostschutz für die Blattoberfläche
Fallen die Temperaturen unter null Grad, bilden sich Eiskristalle auf Laubblättern. Forschende der Universität Kiel untersuchten die Blattoberflächen verschiedener Pflanzenarten unter dem Aspekt der Vermeidung von Frostschäden an Laubblattzellen. Ihre Ergebnisse sind schematisch in Abbildung 11 für die blattmorphologischen Merkmale A bzw. B dargestellt:
M 14 Mikroskopische Untersuchung des Laubblatts beim Gewöhnlichen Gänseblümchen (Bellis perennis)
Zur mikroskopischen Untersuchung eines Frischpräparats des Laubblatts beim Gewöhnlichen Gänseblümchen stehen dir folgende Geräte und Materialien zur Verfügung:
Geräte: Lichtmikroskop, Objektträger, Deckgläschen, Becherglas, Pasteurpipette, Präparierbesteck, schnittfeste Unterlage, weißes Papier DIN A4
Materialien: Gewöhnliches Gänseblümchen (Bellis perennis), Leitungswasser
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Auswirkungen beim Gefrieren des Wassers im Protoplasten einer Pflanzenzelle
– Wasser verliert stoffwechselphysiologische Bedeutung als Lösungs- und Transportmittel durch Änderung des Aggregatzustandes von flüssig nach fest und Enzyme arbeiten bei extrem geringen Temperaturen nicht mehr oder nur noch eingeschränkt → Stoffwechselprozesse kommen zum Erliegen → Tod der Pflanzenzelle
– scharfkantige Eiskristalle zerschneiden Biomembranen, die das Zellinnere durch Kompartimentierung strukturieren → Funktionsverlust der Zellorganellen → Tod der Pflanzenzelle
Erklärung der blattmorphologischen Merkmale
– Merkmal A sind wachsartige Strukturen auf der Kutikula der Epidermiszellen bestimmter Pflanzen, an denen sich bei Temperaturen unter 0°C Eiskristalle bilden, die dadurch die eigentlichen Epidermiszellen nicht erreichen
– diese Strukturen sind hydrophob, sodass Wasser abgestoßen wird und es sich beim Tauen als Wassertropfen auf der epikutikulären Wachsschicht sammelt, statt sich auf der gesamten Blattoberfläche zu verteilen, sodass auch beim erneuten Gefrieren die Vereisung auf die epikutikuläre Wachsschicht beschränkt bleibt und die Epidermiszellen nicht schädigen kann
– Merkmal B sind hydrophile Trichome, die von Epidermiszellen gebildet werden und Feuchtigkeit anziehen
– an diesen Trichomen bilden sich bei kalten Temperaturen Eiskristalle, die dort auch nach dem Tauen als größere Wassertropfen festgehalten werden und erneut gefrieren können, wodurch ebenfalls ein direkter Kontakt der Eiskristalle mit der eigentlichen Pflanzenzelle vermieden wird
– Merkmale A und B verhindern oder verzögern das Gefrieren des Protoplasten bei tiefen Temperaturen und sind damit Angepasstheiten an den Umweltfaktor Temperatur
Anfertigen des mikroskopischen Präparats und mikroskopieren
− Herstellung eines Abzugspräparats der Laubblattepidermis
− Einstellung des Mikroskops
− Qualität des Präparats
− sachgerechte Arbeitsweise unter Berücksichtigung der Sicherheitsbestimmungen
Hinweis: Bei Anforderung der Ersatzergebnisse werden diese 8 Bewertungseinheiten nicht erteilt.
Mikroskopische Zeichnung (nach im Unterricht festgelegten Vorgaben)
− formal und inhaltlich richtige mikroskopische Zeichnung eines repräsentativen Gewebeausschnitts (beschriftete Epidermiszellen inklusive mindestens eines Trichoms)
− vollständige und korrekte Beschriftung sichtbarer Strukturen
Ableitung der blattmorphologischen Frostschutzstrategie
− die mikroskopische Untersuchung hat keine Hinweise auf besondere epikutikuläre Wachsschichten ergeben, allerdings wurde das Vorhandensein von Trichomen auf der Epidermis belegt, sodass das Gewöhnliche Gänseblümchen das blattmorphologische Merkmal B als Angepasstheit an niedrige Temperaturen aufweist
Hypothese
– Trichome auf der Blattoberfläche des Gewöhnlichen Gänseblümchens verhindern Frostschäden im Protoplasten der Epidermiszellen, da sich die Eiskristalle entfernt von der eigentlichen Blattoberfläche bilden → ermöglicht Überwinterung/Frosthärte im Unterschied zu anderen Bellis-Arten → dies könnte Selektionsvorteil darstellen → hohe reproduktive Fitness u. a. durch lange Blütezeit → Ausbreitung bis ins Hochgebirge sowie über den Mittelmeerraum hinaus möglich → größtes Verbreitungsgebiet innerhalb der Gattung Bellis