Zusatzmaterialien zum UTB-Band Ralf R. Mendel, Zellbiologie der Pflanzen bereitgestellt über www.utb-shop.de/9783825234232 Das Lehrbuch vermittelt in kompakter Form, verständlichem Text und anschaulichen Abbildungen die Grundlagen der Zellbiologie am Beispiel der Pflanzenzelle. Auch auf die tierische Zellbiologie wird im Vergleich eingegangen. Das Buch gibt den Bachelorstudenten eine Einführung und den Masterstudenten einen Überblick. Die Zusatzmaterialien wurden vom Autor / der Autorin / den Autoren zur Verfügung gestellt und sind genau auf den Inhalt des Werkes abgestimmt. Nutzung und Copyright Die Nutzung der Materialien für eigene Studienzwecke ist kostenlos, das Copyright liegt bei den Autoren bzw. beim Verlag. Eine Weiterverbreitung gleich in welcher Form ist nur mit schriftlicher Genehmigung der UTB GmbH Stuttgart gestattet. 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Erläutern sie den Unterschied! • Ordnen sie die folgenden Bindungsarten nach ihrer Stärke: Disulfidbrücke, hydrophobe Wechselwirkung, ionische Bindung, Wasserstoffbrücke! • Was ist eine prosthetische Gruppe? Nennen sie drei prosthetische Gruppen! 1.2 Die Bausteine der Zelle: Nucleinsäuren • Was ist der Unterschied zwischen einem Nucleosid und einem Nucleotid? • Eine Nucleinsäure hat zwei Enden, nämlich das 5'- und das 3'-Ende. Erläutern sie diese Begriffe! • Neben mRNA, tRNA, rRNA gibt es weitere RNA-Arten? Nennen Sie diese! 1.3 Die Bausteine der Zelle: Kohlenhydrate • Erläutern sie die Begriffe Aldose und Ketose! • Was versteht man unter einer glycosidischen Bindung? 1.4 Die Bausteine der Zelle: Lipide • Welche Konsequenz hat das Auftreten einer Doppelbindung für die Struktur einer Fettsäure? • Erläutern sie die Begriffe 'Öl' und 'Wachs'! 2.2 Biomembranen • Erläutern Sie, warum die Lipiddoppelschicht keine freien Ränder hat und warum sie selbstversiegelnd ist! • Cardiolipin kommt in welcher Membran der Mitochondrien und Plastiden vor? Warum stützt das Vorkommen von Cardiolipin in Mitochondrien und Plastiden die Endosymbionten-Theorie? • Lipide sind innerhalb der Biomembran lateral beweglich. Erläutern sie diese Aussage! • Kann ein Lipidmolekül von der einen Seite der Lipiddoppelschicht zur anderen Seite gelangen? Und wenn ja, wie? 2.3 Kompartimentierung • Im Zuge der Evolution nahm die Größe der Zelle zu. Welche Beziehung besteht zwischen Zellvolumen und Zelloberfläche? Warum war die Kompartimentierung die notwendige Konsequenz dieser Entwicklung? • Erläutern sie die folgende Aussage: 'Eine Membran trennt immer eine plasmatische von einer wässrigen Phase ab.' • Was bezeichnet man mit dem Begriff 'Membranfluss'? Nehmen Mitochondrien und Plastiden am zellulären Membranfluss teil? 2.4 Zellkern • Erläutern sie den Begriff 'Perinuclearzisterne'! • Proteine werden durch Kernporen in den Kern transportiert, wo sie an sehr unterschiedlichen Prozessen beteiligt sind. Nennen sie mindestens vier Prozesse! • Welche Moleküle verlassen den Kern durch die Kernporen? • Welche Aufgabe erfüllt die Kernlamina? • Was ist der Unterschied zwischen einem Nucleosom und einem Solenoid? • Welche Aufgabe erfüllt das Kinetochor eines Chromosoms? • Was ist die Hauptaufgabe des Nucleolus? • Erläutern sie den Begriff 'Chromosomenterritorien'! 2.5 Mitochondrien • Welche der beiden Mitochondrien-Membranen ist die hochselektive für den Stofftransport? • Ungefähr wie viele verschiedene Proteine findet man in Mitochondrien (= mitochondriales Proteom)? • Wie viel Prozent der mitochondrialen Proteinausstattung werden vom Kern codiert? • Was versteht man unter dem Redoxpotential eines Moleküls und in welcher Einheit wird es gemessen? • Welches mitochondriale Kompartiment wird im Zuge der Atmungskette angesäuert? • Welche prosthetischen Gruppen werden in Mitochondrien synthetisiert? 2.6 Plastiden • Nennen sie sechs Plastidenformen und beschreiben sie deren Aufgabe! • Was ist der Unterschied zwischen Stromathylakoiden und Granathylakoiden? • Was versteht man unter Stromules und welche Funktion könnten sie haben? • Ungefähr wie viele verschiedene Proteine findet man in Plastiden (= plastidäres Proteom)? • Wie viel Prozent der plastidären Proteinausstattung werden vom Kern codiert? • Welches plastidäre Kompartiment wird im Zuge der Photosynthese angesäuert? • Nennen sie die beiden energiereichen Produkte der Lichtreaktion der Photosynthese! • Nennen sie das Hauptprodukt der Dunkelreaktion der Photosynthese! • Der Chloroplast ist der Ort der Kohlenstoffassimilation. Welche beiden anderen Elemente werden im Chloroplasten assimiliert? • Welche prosthetischen Gruppen werden im Chloroplasten synthetisiert? 2.7 Peroxisomen und Glyoxisomen • Was ist ein Leitenzym? • Welches ist das Leitenzym der Peroxisomen und welche Reaktion katalysiert es? • Was sind reaktive Sauerstoffspezies und warum sind sie gefährlich für die Zelle? • Welche Aufgabe erfüllen Glyoxisomen? • Erläutern sie die Biogenese der Peroxisomen! 2.8 Oleosomen • Erläutern sie die Bildung von Oleosomen! 2.9 Ribosomen • 80S-Ribosomen sind die eukaryontische Form der Ribosomen. Wofür steht das 'S'? • Ungefähr wie viele ribosomale Proteine kommen in einem Ribosom vor? • Welche der beiden Komponenten (rRNAs und ribosomale Proteine) bildet die Hauptstrukturkomponente einer ribosomalen Untereinheit? • Welche katalytische Funktion führt die rRNA aus? • Mit welchem Begriff bezeichnet man eine katalytische RNA? • Erläutern sie den Begriff 'N-Terminus' und 'C-Terminus' eines Proteins! • Warum steht der N-Terminus eines Proteins in grafischen Darstellungen immer links? • Welches besondere Sequenzelement befindet sich am 3'-Ende von eukaryontischen mRNAs und wozu dient es? • Wie lange dauert die Biosynthese eines durchschnittlich großen Proteins: einige Millisekunden oder einige Sekunden oder wenige Minuten? 2.10 Endoplasmatisches Reticulum (ER) • Welcher Mechanismus entscheidet darüber, ob ein Protein an freien Ribosomen oder am rauen ER synthetisiert wird? • Nennen sie die vier Aufgaben, die das Signalerkennungspartikel SRP erfüllt! • Beschreiben sie die im ER ablaufende Glycosylierung von Proteinen? • Welchen drei Zwecken dient diese Glycosylierung? • Mitochondrien und Plastiden nehmen nicht am zellulären Membranfluß über Viskel teil. Wie können sie dennoch mit Lipidmolekülen versorgt werden? • Nennen sie vier Aufgaben, die das glatte ER erfüllt! • Erläutern sie den Begriff Mikrosomen! 2.11 Golgi-Apparat • Wieviele Golgi-Stapel findet man durchschnittlich in einer Pflanzenzelle? • Welche Aufgabe erfüllt die Golgi-Matrix? • Welche Transportrichtung bezeichnet man als anterograd und welche als retrograd? • Was unterscheidet die O-Glycosylierung von der N-Glycosylierung? • Neben der Glycosylierung von Proteinen erfüllt der Golgi-Apparat noch drei weitere Aufgaben. Nennen sie diese! 2.12 Vakuole • Wie bezeichnet man die Vakuolenmembran? • Welche Aufgabe erfüllen die die Vakuole durchziehenden Cytoplasmabrücken? • Nennen sie drei osmotisch aktive Stoffgruppen, die in der Vakuole gespeichert werden! • Osmotisch aktive Stoffe werden sekundär aktiv in die Vakuole transportiert. Welches ist der primär aktive Prozess? • Nennen sie mindestens vier Turgor-abhängige Lebensvorgänge der Pflanze! • Erläutern sie die lytische Funktion der Vakuole! • Welche Stoffe werden in der Vakuole zwischengespeichert und welche werden dort endgelagert? 2.13 Cytoskelett • Erläutern sie die Entstehung einer ATP-Kappe an Actinfilamenten! • Beschreiben sie Aufbau und Funktion des Motorproteins Myosin! • Nennen sie vier Aufgaben, an denen das pflanzliche Actin-System beteiligt ist! • Nur etwa die Hälfte des Tubulins einer Zelle liegt in Form von Mikrotubuli vor. In welcher Form liegt die andere Hälfte vor? • Welche der beiden Verbindungen liegt im Cytoplasma im Überschuss vor, GDP oder GTP? • Erläutern sie den Begriff MTOC! • Wie heißen die am häufigsten vorkommenden Motorproteine der Mikrotubuli und in welche Richtung laufen sie? • Was bezeichnet man als das 9+2 Muster einer Geißel? • Von welchem Umstand leitet sich der Name der Intermediärfilamehnte ab? • Actinfilamente und Mikrotubuli besitzen ein Plusende und ein Minusende? Verfügen Intermediärfilamente auch über diese Enden? • Welche wichtige Funktion erfüllen Intermediärfilamente während der Zellteilung? 2.14 Zellwand • Welche vier Stoffgruppen machen die Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellwand aus? • Wie sind die Glucose-Reste in der Cellulose verknüpft und wie in der Stärke? • Nennen sie die mengenmäßigen Hauptbestandteile der Mittellamelle, der Primärwand und der Sekundärwand! • Wo werden die langen Cellulose-Fibrillen für die Zellwand synthetisiert? • Erläutern sie die Begriffe Streuungstextur und Paralleltextur der Zellwand! • Nennen sie eine wichtige Inkruste der Zellwand und eine wichtige Adkruste! • Erläutern sie den Mechanismus des Streckungswachstums und gehen sie dabei auf die Rolle der Protonen ein! • Erläutern sie die Begriffe Symplast und Apoplast! • Was bezeichnet man bei den Plasmodesmen als den Desmotubulus? • Nennen sie mindestens fünf Aufgaben, die die pflanzliche Zellwand erfüllt! 3. Zellteilung • Die Interphase gliedert sich in G1-, S- und G2-Phase. Was macht die Zelle an den Übergangsstellen (= Kontrollpunkten) zwischen diesen drei Abschnitten? • Erläutern sie die Begriffe Centromer, Kinetochor und Cohesin-Komplex! • Durch welchen Vorgang wird der Zerfall der Kernhülle eingeleitet? • Wo verbleibt die Membran der Kernhülle während der Zellteilung? • Was unterscheidet Kinetochormikrotubuli von Polmikrotubuli? • Erläutern sie die zwei Vorgänge, auf denen die Chromosomenbewegung in der Anaphase beruht! • Erläutern sie den Begriff Phragmosom! • Erläutern sie den Begriff Phragmoplast! • Erläutern sie, wie während der Cytokinese die Zellplatte entsteht! 4.1 Faltung von Proteinen • Im Zuge des Faltungsprozesses nimmt das Protein seine Tertiärstruktur ein. Erläutern sie die treibenden Kräfte für diesen Prozess! • Nennen sie drei Aufgaben, die Cystein-Reste innerhalb eines Proteins erfüllen können! • Was unterscheidet Strukturmotive von Proteindomänen? • Erläutern sie den Begriff 'recombinante Proteine'! • Innerhalb von Multienzymkomplexen tritt der Prozess des 'substrate-product channelings' auf. Begründen sie, warum dieser Vorgang vorteilhaft ist! 4.2 Chaperone • Chaperone haben kein Universalprogramm, nach dem sie Proteine falten. Erläutern sie die Funktionsweise von Chaperonen! • Was unterscheidet Hsp70-Chaprone von Hsp60-Chaperonen? • Ist das Cytoplasma ein reduzierendes oder ein oxidierendes Milieu? • Ist das Lumen von ER und Golgi-Apparat ein reduzierendes oder ein oxidierendes Milieu? • Wie heisst das Enzym, das im ER inkorrekt ausgebildete Disulfidbrücken korrigiert, und wie funktioniert es? • Nennen sie drei Merkmale, an denen die Zelle in falsch gefaltetes Protein erkennt! 4.3 Posttranslationale Modifikationen und Proteinregulation • Proteine können unter anderem durch Phosphorylierung oder durch GTP-Bindung reguliert werden. Beschreiben sie beide Prozesse und vergleichen sie sie! • Im Cytoplasma kommen GTP und GDP vor. Welche von den beiden Verbindungen liegt im Überschuß vor? • Nennen sie mindestens 10 Arten der posttranslationalen Modifikationen! 4.4 Membranproteine • Welche Klassen von Membranproteinen kennen sie? • Was versteht man unter einem Hydropathie-Plot? • Was versteht man unter einer amphipathischen Helix? • An welchem zellulären Ort werden Transmembranproteine in die Membran eingebaut und wie geschieht das? • Nennen sie drei Punkte, die ein Lipidfloß kennzeichnen! • Proteine können über Lipidanker mit der Membran verbunden sein. Nennen sie drei Arten von Lipidankern! • An welchem zellulären Ort werden Proteine synthetisiert, die später über Lipidanker mit der Membran verbunden werden? 4.5 Proteinabbau • Nicht nur falsch gefaltete Proteine werden über das Ubiquitin-Proteasom-System abgebaut. Welche anderen Proteine unterliegen ebenfalls dem kontrollierten Proteinabbau? • Bis zu welcher Stufe baut das Proteasom die Proteine ab (bis zu Aminosäuren oder bis zu Peptiden)? • Warum sind Proteine, die sich nur langsam falten, stärker gefährdet als sich schnell faltende Proteine? • Was versteht man unter der N-End-Regel? • Was unterscheidet Exoproteasen von Endoproteasen? 5.1 Transportproteine und Biomembranen • Nennen sie die vier Klassen von Transportproteinen! • In welchen Kompartimenten/zellulären Orten findet man Protonenpumpen/ATPSynthasen? • Erläutern sie das Prinzip des sekundär aktiven Transports! • Nennen Sie drei verschiedene Arten, durch die ein Kanal reguliert sein kann! • Neben den Pumpen-Proteinen gibt es noch eine zweite Gruppe von ATPverbrauchenden Transportern. Welche Gruppe ist das? • Welche drei Formen des Carrier-vermittelten Transports unterscheidet man? • Ordnen sie die vier Klassen von Transportproteinen nach ihrer Transportgeschwindigkeit an! Beginnen sie mit dem langsamsten Protein! 5.2 Proteinsortierung im Überblick • Proteinsortierung: welche zellulären Ziele haben Proteine, die an freien Ribosomen synthetisiert werden? • Proteinsortierung: welche zellulären Ziele haben Proteine, die am rauen ER synthetisiert werden? 5.3 Proteintransport durch die Kernporen • Kleine Proteine können problemlos in den Kern gelangen, größere Proteine benötigen hingegen ein Kernlokalisierungssignal. Wo liegt die Ausschlußgrenze (Proteingröße in kDa)? • Warum wird das Kernlokalisierungssignal nach dem Import in den Kern nicht abgeschnitten? • Müssen Kernproteine vor dem Import entfaltet werden? • Erläutern sie die Funktion von Importin und Exportin! 5.4 Proteinimport in Plastiden und Mitochondrien • Werden Plastiden-/Mitochondrien-Proteine in gefaltetem oder entfaltetem Zustand importiert? • An welchem Ende des Proteins liegt die Zielsequenz von Plastiden-/MitochondrienProteinen und wird diese Sequenz nach dem Import abgespalten oder nicht? • Nennen sie die sechs Subkompartimente, die im Plastiden mit Proteinen versorgt werden müssen! • Nennen sie die vier Subkompartimente, die in Mitochondrien mit Proteinen versorgt werden müssen! • Erläutern sie, warum Zielsequenzen "notwendig und ausreichend" sind, um Proteine an ihr Ziel zu bringen! 5.5 Proteinimport in Peroxisomen • Werden Peroxisomen-Proteine in gefaltetem oder entfaltetem Zustand importiert? • An welchem Ende des Proteins liegt die Zielsequenz von Peroxisomen-Proteinen und wird diese Sequenz nach dem Import abgespalten oder nicht? 5.6 Der zelluläre Vesikelverkehr • Beim zellulären Vesikelverkehr bleibt die Topologie der Membran strikt erhalten. Erläutern sie diese Aussage! • Zwischen ER und Golgi-Stapel und innerhalb des Golgi-Stapels gibt es zwei Richtungen für den Protein-Transport. Nennen sie die Bezeichnungen für diese Transportrichtungen! 5.7 Vesikeltransport vom ER zum Golgi-Apparat • Der Proteintransport vom ER zum Golgi-Stapel verläuft über Vesikel. Welche Art von Hüllproteinen ist an der Vesikelbildung am ER beteiligt? • Zu welcher Klasse von Regulatorproteinen gehören die Rab-Proteine und welche Aufgabe erfüllen sie bei der Vesikelfusion? • Warum ist die Vesikelfusion energetisch ungünstig? • Erläutern sie die Aufgabe von SNARE-Proteinen bei der Vesikelfusion! • Welche vier Aminosäuren bilden das ER-Retentionssignal - erläutern sie den zugrunde liegenden Mechanismus! • Welche Art von Hüllproteinen ist an der Vesikelbildung am cis-Golgi in Richtung ER beteiligt? • Was versteht man unter dem vesikulär-tubulären Cluster? • Nennen sie drei Besonderheiten des pflanzlichen Golgi-Apparates, die ihn vom Golgi-Apparat in tierischen Zellen unterscheiden! 5.8 Vesikeltransport vom Golgi-Apparat zum Endosom • Erläutern sie die Clathrin-vermittelte Vesikelbildung! • Welche drei zellulären Ziele bedient das trans-Golgi-Netzwerk? • Erläutern sie, warum das prävakuoläre Kompartiment auch als "multi vesicular body" bezeichnet wird! 5.9 Exozytose und Endozytose • Ein Rezeptorprotein in der Plasmamembran hat eine Ligandenbindungsdomäne, die zum wässrigen Außenmedium zeigt. Dieses Rezeptorprotein wird durch Endozytose aufgenommen. Wohin zeigt im Endozytosevesikel die Ligandenbindungsdomäne des Rezeptors - ins Innere des Endozytosevesikels oder zu seiner cytosolischen Seite? • Welche Aufgabe hat das Recycling-Endosom? • Was ist der Unterschied zwischen Phagozytose und Pinozytose? • Welche Art von Hüllproteinen ist an der Plasmamembran hauptsächlich an der Vesikelbildung im Zuge der Endozytose beteiligt? 6. Autophagie und Zelltod • Was versteht man unter Autophagie? • Erläutern sie die Bildung und die Aufgabe des Autophagosoms! • Erläutern sie die einzelnen Teilschritte des programmierten Zelltods! 7. Endosymbionten-Theorie • Die Vorläufer von Mitochondrien und Plastiden machten nach ihrer Aufnahme in die Ur-Eucyte eine Coevolution mit ihrer Wirtszelle durch. Welche Veränderungen traten in den Endosymbionten auf und welche Merkmale behielten sie bei? • Was versteht man unter sekundären Endosymbiosen? 8. Signaltransduktion • Signale werden durch Rezeptoren von der Zelle wahrgenommen. Wie kommt es, dass dasselbe Signal je nach Zelltyp völlig verschiedene Reaktionen auslösen kann? • Vergleichen sie die Funktionsweise von Enzym-gekoppelten Rezeptoren mit der von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren! • Erläutern sie die Funktionsweise einer MAP-Kinase-Kaskade! • Erläutern sie den Phosphoinositol-Weg! • Welches sind die Hauptspeicher an zellulärem Ca2+? • Warum ist es für die Zelle vorteilhaft, dass die Signalweiterleitung aus mehreren Teilschritten besteht? 9. Phytohormone • Nennen sie sieben Klassen von Phytohormonen und nennen sie für jede Hormonklasse eine charakteristische Wirkung! • Welches pflanzliche Peptidhormon kennen sie und welche Wirkung hat es? • Erläutern sie das Zusammenwirken von Auxinen und Cytokininen am Beispiel eines Explantats, das auf ein Nährmedium gelegt wird! 10. Besonderheiten der Pflanzenzelle im Vergleich zur tierischen Zelle • Nennen sie mindesten 10 Merkmale, in denen sich pflanzliche Zellen von tierischen Zellen unterscheiden! 11. Arabidopsis thaliana als Modellpflanze • Nennen sie fünf grundlegende Eigenschaften, die Arabidopsis thaliana zur Modellpflanze machen! • Welche molekularen Eigenschaften machen Arabidopsis thaliana zur Modellpflanze? 12. Das Abbild der Zelle • Erläutern sie das Prinzip der Fluoreszenz-Mikroskopie! • Erläutern sie das Prinzip der Immunfluoreszenz-Mikroskopie! • Erläutern sie das Prinzip der confokalen Laserscanning-Mikroskopie! • Erläutern sie das Prinzip der Immuno-Elektronenmikroskopie! • Beschreiben sie Aufbau und Funktion des grünfluoreszierenden Proteins GFP! • Nennen sie zellbiologische Anwendungen für GFP! • Zur in vivo-Analyse von Protein-Wechselwirkungen werden die Verfahren "BiFC", "FRET" und "split-LUC" eingesetzt. Was verbirgt sich hinter diesen Abkürzungen? Wie funktionieren die Verfahren und welche Vorteile und Nachteile haben sie? 13. Zelltechnologie • Was versteht man unter der Totipotenz einer pflanzlichen Zelle? • Was ist eine Kalluskultur und was ist eine Suspensionskultur? • Was versteht man unter der klonalen Vermehrung von Pflanzen? • Aus welchen Explantaten kann man in der Zelltechnologie haploide Pflanzen erzeugen? • Welche Enzyme setzt man ein, um aus Blättern Protoplasten zu erzeugen? • Warum nehmen Protoplasten eine kugelige Gestalt an? • Protoplasten müssen in einem iso-osmotischen Medium kultiviert werden. Was bedeutet das? • Woran kann man ca. 24h nach Protoplastierung im mikroskopischen Bild erkennen, dass ein Protoplast eine neue Zellwand gebildet hat? • Erläutern sie den Begriff “somaklonale Variation"! 14. Gentransfer • Was versteht man in der pflanzlichen Zellbiologie unter dem Begriff Transformation? Und welchen Begriff verwendet man dafür in der tierischen Zellbiologie? • Was versteht man unter einem chimärischen Gen? • Nennen sie zwei häufig verwendete pflanzenspezifische Markergene! • Was unterscheidet ein Markergen von einem Reportergen? Nennen sie drei Reportergene, die man bei Pflanzen einsetzt! • Was unterscheidet die transiente Transformation von der stabilen Transformation? • Beschreiben sie kurz die einzelnen Teilschritte der Infektion einer Pflanzenzelle mit Agrobacterium tumefaciens! • Vom Bereich der T-DNA auf dem Ti-Plasmid von Agrobacterium wird eine Kopie erzeugt und in die Pflanze geschleust. Was ist das Besondere an dieser T-DNAKopie? • Wie gelingt es Agrobacterium tumefaciens, die Pflanzenzelle zur Tumorzelle umzuprogrammieren? • Zum Agrobakterien-vermittelten Gentransfer werden entschärfte Agrobakterien eingesetzt. Was versteht man darunter? • Was versteht man unter dem direkten Gentransfer (warum heißt er so)? • Was sind die Vorteile und die Nachteile des direkten Gentransfers gegenüber dem Agrobakterien-vermittelten Gentransfer? • Nennen sie mindestens drei Merkmale, die eine genetisch stabil transformierte Pflanze erfüllen muss! • Was versteht man unter der ektopischen Expression eines Proteins, dessen Gen man in die Pflanzenzelle eingeführt hat?