Aufgabe 3.1 – Angepasstheiten von Landpflanzen an den Umweltfaktor Wasser

Landpflanzen sind in der Lage, ihren Wasserhaushalt so zu regulieren, dass er unabhängig vom Wasserangebot weitgehend konstant bleibt. Eine strukturelle Voraussetzung dafür ist die Abgrenzung der Pflanze gegenüber der Atmosphäre durch ein Abschlussgewebe. Dieses kann durch regelbare Spaltöffnungen (Stomata) durchbrochen sein. Dazu kommen stoffwechselphysiologische Angepasstheiten, die dazu beitragen, den Wasserhaushalt von Pflanzen zu regulieren.

Fertige eine beschriftete Skizze vom Querschnitt des Laubblattes einer mesophytischen Landpflanze, wie z. B. der Buche (Fagus sylvatica), an.

6 BE

Erläutere anhand der beiden Ausgangsstoffe der Fotosynthese die Bedeutung regulierbarer Spaltöffnungen (Material 1).

6 BE

Vergleiche tabellarisch die Kohlenstoffdioxidfixierung bei Formula: C_3 - und CAM-Pflanzen anhand von drei Kriterien (Material 2).

Erläutere die stoffwechselphysiologischen Angepasstheiten der CAM-Pflanzen an heiße und trockene Standorte (Material 2).

9 BE

4.1

Berechne auf Grundlage der Abbildungen 2 und 3 die Spaltöffnungsindizes der oberen und unteren Epidermis des Laubblattes von Gasteria (Material 3).

4 BE

4.2

Stelle ein Abzugspräparat der unteren Epidermis des Laubblattes vom Alpenveilchen her (Material 3).

Mikroskopiere das Frischpräparat (Material 3).

Berechne für das Präparat den Spaltöffnungsindex (Material 3).

Das Präparat ist unter dem Mikroskop der Aufsicht führenden Lehrkraft vorzuzeigen.

Sollte dir die Durchführung nicht gelingen oder sollten dir die Ergebnisse unbrauchbar erscheinen, kannst du von der Aufsicht führenden Fachlehrkraft Ersatzergebnisse anfordern. In diesem Fall werden 6 BE nicht erteilt.

8 BE

4.3

Deute die drei berechneten und den gegebenen Wert der Spaltöffnungsindizes in Material 3 in Bezug auf die jeweilige Art der Kohlenstoffdioxidfixierung als Angepasstheiten an die jeweiligen Standorte (Material 1 – Material 3).

7 BE

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Material 1: Spaltöffnungen

Spaltöffnungen (Stomata) bestehen aus zwei sogenannten Schließzellen, die meist bohnenförmig um einen Spalt angeordnet und nur an ihren Enden fest miteinander verbunden sind. Der Spalt stellt die Verbindung zwischen der Außenluft und dem Interzellularraum her und ermöglicht der Pflanze die Wasserdampfabgabe und die Kohlenstoffdioxidaufnahme. Der Öffnungsgrad des Spaltes wird durch die Schließzellen reguliert. Dabei spielen die Wasserversorgung, die Konzentration von Kohlenstoffdioxid im Blatt, das Lichtangebot und die Temperatur eine bedeutende Rolle.

Bei vielen Pflanzenarten grenzen daran Nebenzellen an, die indirekt an der Funktion der Schließzellen beteiligt sind. Spalt, Schließzellenpaar und Nebenzellen bilden zusammen den Spaltöffnungsapparat.

Material 2: Kohlenstoffdioxidfixierung bei - und CAM-Pflanzen

Die Abkürzung CAM steht für die englische Bezeichnung „Crassulacean Acid Metabolism“ (Crassulaceen-Säurestoffwechsel). Zu den CAM-Pflanzen gehören neben den Dickblattgewächsen (Crassulaceae) auch viele andere wasserspeichernde Pflanzen, so genannte Sukkulenten, wie zum Beispiel alle Arten aus der Gattung Gasteria. Im Gegensatz zu Formula: C_3 -Pflanzen öffnen CAM-Pflanzen ihre Spaltöffnungen nicht tagsüber, sondern überwiegend in den Nachtstunden.

Abb. 1 vergleicht schematisch die Kohlenstoffdioxidfixierung bei Formula: C_3 - und CAM-Pflanzen.

Vergleich der CO₂-Fixierung bei C₃- und CAM-Pflanzen während Tag und Nacht.

Abbildung 1: Vereinfachte schematische Darstellung der Kohlenstoffdioxidfixierung in der Fotosynthese bei Formula: C_3 - und CAM-Pflanzen

Material 3: Ermittlung der Spaltöffnungsindizes des Alpenveilchens und der Gasteria

Der Spaltöffnungsindex (SI) ist ein Maß für den relativen Anteil der Spaltöffnungen in der Epidermis. Er errechnet sich aus der folgenden Formel und trägt keine Einheit.

$Formula: SI=\dfrac{100\cdot S}{E+S}$ $Formula: SI=\dfrac{100\cdot S}{E+S}$

Formula: S= Anzahl der Spaltöffnungen einer definierten Blattfläche

Formula: E= Anzahl der Epidermiszellen der gleichen Blattfläche

Hinweis: Formula: 100 ist ein Faktor und entspricht nicht der Vergrößerung.

Die Spaltöffnungsindizes vom Alpenveilchen und der Gasteria unterscheiden sich. So ergibt sich zum Beispiel für die obere Epidermis vom Laubblatt des Alpenveilchens ein Wert für den Spaltöffnungsindex von kleiner als Eins ( $Formula: SI_{\mathrm{obere\ Epidermis}}\lt 1$ $Formula: SI_{\mathrm{obere\ Epidermis}}\lt 1$ ).

Die folgenden Abbildungen zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen der oberen (Abb. 2) und unteren (Abb. 3) Epidermis (definierte Blattflächen) vom Laubblatt der Gasteria.

Mikroskopische Abbildungen der oberen und unteren Epidermis von Gasteria mit Spaltöffnungen.

Der Spaltöffnungsindex der unteren Epidermis des Alpenveilchens lässt sich lichtmikroskopisch ermitteln.

Folgende Geräte und Materialien stehen Ihnen zur Verfügung:

Geräte:

Lichtmikroskop, Objektträger, Deckgläschen, Präparierbesteck, Pasteurpipette

Materialien:

Laubblatt des Alpenveilchens, Leitungswasser

Die Standortbedingungen und der Typ der Kohlenstoffdioxidfixierung sind in der folgenden Tabelle für das Alpenveilchen und die Gasteria angegeben.

Tab. 1: Standortbeschreibung einer Formula: C_3 - und einer CAM-Pflanze

Pflanze	Standort	Typ der Kohlenstoffdioxidfixierung
Alpenveilchen	mäßig feucht und schattig in Laubmischwäldern in Mittel- und Südeuropa
Gasteria	trockene, heiße Gebiete im südlichen Afrika	CAM

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Anfertigen einer beschrifteten Skizze:

Schematischer Querschnitt durch ein Laubblatt mit beschrifteten Gewebeschichten und Spaltöffnung.

Erläutern:

Wasser und Kohlenstoffdioxid sind die Ausgangsstoffe der Fotosynthese
Transpiration über die Stomata ermöglicht den Wassertransport
bei steigenden Temperaturen übersteigt diese Wasserdampfabgabe die zur Verfügung stehende Wassermenge
für die Pflanze ist es notwendig, die Öffnungsweite der Spaltöffnungen zu regulieren, um den Wasserverlust zu kontrollieren
Kohlenstoffdioxid gelangt über die Spaltöffnungen in das Laubblatt
dies bedeutet jedoch, dass bei vollständig geschlossenen Spaltöffnungen die Pflanze nicht ausreichend Kohlenstoffdioxid aufnehmen kann

Vergleichen:

Kriterium	$Formula: \boldsymbol{C_3}$ $Formula: \boldsymbol{C_3}$ -Pflanzen	CAM-Pflanzen
Zeitpunkt $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ -Fixierung aus der Atmosphäre	am Tag	in der Nacht
Zeitpunkt des Calvin-Zyklus	Der Calvin-Zyklus läuft am Tag ab.
Herkunft des $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ für den Calvin-Zyklus	Aufnahme von $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ direkt aus der Atmosphäre	Freisetzung von $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ aus Malat unter Bildung von Pyruvat

Erläutern:

um Wasserverluste durch Transpiration an heißen und trockenen Standorten zu minimieren, sind die Spaltöffnungen tagsüber geschlossen und in der Nacht geöffnet
das in dieser Zeit aufgenommene Kohlenstoffdioxid wird fixiert und als Malat gespeichert
am Tag, bei geschlossenen Stomata, wird Malat abgebaut und Kohlenstoffdioxid für den Calvin-Zyklus freigesetzt

4.1

Berechnen:

Auszählen der Stomata und Epidermiszellen
Berechnung der Indizes
$Formula: \mathrm{SI}_{\mathrm{obere\ Epidermis}}\approx 6$ $Formula: \mathrm{SI}_{\mathrm{obere\ Epidermis}}\approx 6$
$Formula: \mathrm{SI}_{\mathrm{untere\ Epidermis}}\approx 6$

4.2

Präparieren:

Herstellen des Abzugspräparates der unteren Epidermis eines Laubblattes des Alpenveilchens

Mikroskopieren:

sachgerechte Handhabung des Mikroskops

Berechnen:

Auszählen der Stomata sowie Epidermiszellen
Berechnung des Index
$Formula: \mathrm{SI}_{\mathrm{untere\ Epidermis}}\approx 15 - 75$ $Formula: \mathrm{SI}_{\mathrm{untere\ Epidermis}}\approx 15 - 75$

Hinweis: Bei Anforderung der Ersatzergebnisse werden 6 BE nicht erteilt.

4.3

Deuten:

der SI der CAM-Pflanze ist bei oberer und unterer Epidermis nahezu gleich
Spaltöffnungen sind in gleicher Dichte auf Blattober- und Blattunterseite vorhanden
der SI der C3-Pflanze der Blattoberseite ist sehr viel kleiner als der der Blattunterseite
Spaltöffnungen sind fast ausschließlich auf der Blattunterseite vorhanden
zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid öffnet die CAM-Pflanze die Stomata an ihrem trockenen Standort überwiegend nachts, die Lage der Stomata auf der Blattoberfläche spielt folglich für Transpirationsverluste keine Rolle
zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid öffnet die C3-Pflanze die Stomata tagsüber, die Blattoberseite ist der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt
Spaltöffnungen würden hier zu sehr hohen Transpirationsverlusten führen

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