Botanik der Nutzpflanzen
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Botanik der Nutzpflanzen Kurs 1 Wozu Botanik der Nutzpflanzen? Pflanzliche Zellen. Kurs 2 Was nutzen wir (1)? Pflanzliche Energie Kurs 3 Was nutzen wir (2)? Pflanzliche Inhaltsstoffe Kurs 4 Grüne Gentechnik, Evolution der Nutzpflanzen und Globalisierung Kurs 5 Pflanzliche Gewebe 1: Meristeme. Parenchyme. Leitgewebe. Kurs 6 Pflanzliche Gewebe 2: Abschlussgewebe. Exkretionsgewebe. Kurs 7 Pflanzliche Organe: Wurzel. Spross. Blatt. Blüte. Same. Frucht. Kurs 8 Nutzpflanzengruppen 1: Hauptgericht: Poaceae, Fabaceae, Solanaceae Kurs 9 Nutzpflanzengruppen 2: Beilagenteller: Brassicaceae, Asteraceae, Vitaceae Kurs 10 Nutzpflanzengruppen 3: Gewürz und Heilung: Apiaceae, Lamiaceae, Lauraceae 9.Apotom Botanik der Nutzpflanzen 2: Was nutzen wir (1)? Pflanzliche Energie. Food or Fuel? Konzepte Photosynthese Chemie und Biologie der Speicherung Assimilationsparenchyme Praxis Speicherparenchyme Speicherorgane Anwendung Energiepflanzen: nächste Generation Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Die moderne Zivilisation beruht auf der intensiven Nutzung von Energie. Der Vorrat an fossilen Brennstoffen und Uran ist begrenzt. Kohle, Gas und Öl sind Biomasse, die im Karbon gebildet wurden. Ein klassischer Zielkonflikt: nachwachsende Rohstoffe könnten helfen, die Klimaerwärmung zu stoppen, aber konkurrieren mit dem Anbau von Nahrungsmitteln. „Biosprit gegen Welthunger“ – so wird es in der Presse gerne dargestellt. Aber stimmt das so? Ihre Freisetzung in der Jetztzeit zerstört die Balance des KohlenstoffKreislaufs und führt zur globalen Erwärmung. Energiepflanzen: nur so viel CO2, wie zuvor gebunden war. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Schon 2009 stammten weltweit etwa 20 % der Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen. Biokraftstoffe erste Generation: Leicht nutzbar, Stärke und Fette/Öle Biokraftstoffe zweite Generation: Cellulose (bislang nur durch Verbrennung oder Umwandlung in Biogas). Die energetische Nutzung von Pflanzen nimmt immer mehr zu. Genutzt wird der photosynthetisch gebundene Kohlenstoff. Neben Stärke und Fetten/Ölen wird die Energie vor allem auch in Form von Cellulose gespeichert. Die Ausbeute ist jedoch noch optimierbar. Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse hängt davon ab, wie wirkungsvoll Photosynthese und Speicherung ablaufen. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Food or Fuel? Energiepflanzen Bei der Energiebilanz muss man auch Düngung berücksichtigen – Stickstoff-Dünger ist energetisch sehr teuer, weil eine Dreifachbindung geknackt wird. Die Erzeugung von Biosprit auf Ackerland ist daher problematisch, die Bildung von Biomasse auf Grenzertragsflächen ist daher langfristig nachhaltiger. Zwei Wege der Biomassenutzung. Bioethanol aus dem Zuckerrohr (Saccharum officinale L.) in Brasilien (erste Generation) und Biogas aus Sudangras (Sorghum sudanense L.) in Deutschland (zweite Generation) nutzen letztendlich Glucosepolymere (Stärke bzw. Cellulose). Problem dabei: Cellulose ist weit schwieriger zu nutzen als Stärke, obwohl sie ebenfalls energiereiche Glucoseresten enthält. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Womit alles beginnt: Photosynthese In der Summe wird mithilfe der Sonnenenergie Kohlendioxid zu Glucose reduziert und Wasser zu Sauerstoff oxidiert: Dieser Vorgang ist jedoch in räumlich getrennte Schritte aufgeteilt: Lichtreaktion: in der Thylakoidmembran wird mithilfe von zwei Chlorophyllen Wasser gespalten und die entstehenden Protonen+Elektronen auf den Cofaktor NADP+ übertragen, wodurch energeireiches NADPH entsteht. Dunkelreaktion: im Stroma wird die Energie des NADPH dazu genutzt, um Kohlendioxid zu Kohlehydraten zu reduzieren (Calvinzyklus) Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Die Solarzelle des Lebens: Chlorophyll Chlorophyll besteht aus zwei Teilen: polarer Porphyrinring (mit Mg im Zentrum) mit konjugierten Doppelbindungen (delokalisiertes pElektronensystem, daher leicht anregbar). apolarer Phytolschwanz (lipophil), der das Molekül in der Thylakoidmembran verankert. Chlorophyll in Lichtsammelkomplexen in der Membran, die Absorptionsmaxima unterscheiden sich (bedingt durch die Lipidumgebung der Membran), im Zentrum des Komplexes sitzen die Chlorophylle mit der niedrigsten Anregungsenergie: nach Belichtung Strom zum Zentrum. Mit Chlorophyllen assoziiert: Antennenpigmente, fangen überschüssige Anregung ab (z.B. Carotinoide) Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Die Lichtreaktion Die beiden Photosynthese sind gemeinsam mit anderen Proteinen zu einer Ladungskette zusammengefasst. An deren Anfang wird Wasser gespalten (Photosystem II), an deren Ende wird NADP+ zu energiereichem NADPH reduziert (Photosystem I). Ausserdem wird der entstehende Protonengradient (viel Protonen im Thylakoid-Innenraum, wenig Protonen im Stroma) genutzt, um energiereiches ATP herzustellen. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Die Lichtreaktion Wie entsteht der Protonengradient? PS II: Bei Spaltung von Wasser werden im Thylakoidinneren 2 Protonen erzeugt, 2 Elektronen werden von Plastoquinon abgefangen. Diese werden auf Plastocyanin übertragen (ein Proton wird erzeugt). PS I: Bei Übertragung Elektronen auf Ferredoxin und Bildung von NADPH werden im Stroma 2 Protonen verbraucht. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese ATP-Synthese Der Protonengradient wird zur Erzeugung von energiereichem ATP eingesetzt. Dies geschieht durch die ATP-Synthase, im Grunde ein Kanal, durch den die Protonen ins Stroma zurückfliessen. Dieser Strom wird dazu genutzt, ADP + Phosphat über eine Konformationsänderung zusammenzuzwingen. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Eigentlich ein Elektromotor Die ATP-Synthase entstand eigentlich aus dem Motor der bakteriellen Geißel. Der Motor der Bakteriengeißel: Hier wird ein Protonengradient direkt in mechanische Energie umgesetzt. Ein fixes Lager (Stator) wechselwirkt mit einem beweglichen Rotor. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Photosynthese Wie funktioniert ATP-Synthese? Der Stator ist die F0-Einheit, der Rotor ist das F1Köpfchen. Jedes Mal, wenn ein Proton ins Stroma zurückfliesst, dreht sich der Rotor um ein Drittel weiter. Dadurch wird das im aktiven Zentrum gebundene ADP mit dem Phosphat zusammengebracht und die Bindung geknüpft. Die ATP-Synthase ist also ein Elektromotor, bei dem aber die Bewegung sofort in chemische Energie (ATP) weiterverwandelt wird. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Dunkelreaktion Der Protonengradient der Lichtreaktion wird zur Erzeugung von ATP eingesetzt. Gleichzeitig entsteht energiereiches NADPH (Reduktionsequivalent). Der (energiereiche) reduzierte Wasserstoff und das (energiearme) Kohlendioxid können an einen C5Körper gehängt werden, so dass ein C6-Körper (Glucose) entsteht. Dunkelreaktion der Photosynthese. Die Fixierung des Kohlenstoffs ist räumlich und zeitlich von der Spaltung des Wassers getrennt. Die Wasserspaltung ist lichtabhängig und findet in den Thylakoiden statt, die Bindung von Kohlendioxid findet im Stroma statt und braucht kein Licht. Dies findet in einem regenerativen Kreislauf (Calvin-Zyklus) statt. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Fixierung des Kohlenstoffs Im Calvinzyklus wird Kohlendioxid an den C5-Körper Ribulose-1,5bisphosphat (Rubis) gehängt. Damit entsteht ein C6-Körper, der dann in 2 Phospho-GlyceratMoleküle (also 2 x C3) zerfällt. Aus mehreren solcher C3-Körper wird dann im zweiten Teil des Calvinzyklus 1 Molekül Glucose und 1 Molekül Rubis gebildet. RubisCo. Das zentrale Enzym ist die Ribulose-1,5-bisphosphat carboxylase. Sie bindet das Kohlendioxid an einen C5-Körper, so dass ein C6-Körper entsteht (der jedoch sofort in 2 C3-Körper zerfällt). Diese Reaktion ist der Kern der Energiebindung. RubisCo ist das häufigste Protein auf unserem Planeten. Glucose zweigt vom Zyklus ab und geht in die Energiespeicherung, die Rubis bleibt im Zyklus und nimmt ein neues Kohlendioxidmolekül auf. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Ein Enzym mit Webfehler RubisCo als Carboxylase In Gegenwart von Sauerstoff kann RubisCo Rubis zu einem C3- und einem C2-Körper „veratmen“. Diese Photorespiration spielt vor allem bei wenig CO2 und viel O2 eine Rolle. RubisCo als Decarboxylase Die zwei Seiten der RubisCo. Sie kann nicht nur als Carboxylase wirken und damit Kohlendioxid binden, sie kann auch die Gegenrichtung katalysieren und in Gegenwart von Sauerstoff als Decarboxylase wirken. Dieser Webfehler begrenzt den Wirkungsgrad der Photosynthese sehr. Bei der Photorespiration entsteht giftiges 2-Phosphoglycerat, das in einem energiezehrenden Abbauweg unschädlich gemacht werden muss. Was soll das? RubisCo ist ein sehr altes Enzym – es stammt aus der Zeit, bevor es Sauerstoff gab (der entstand ja erst durch die Photosynthese…) Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung C4-Pflanzen Strategien zur Unterdrückung der Photorespiration sind vor allem bei viel Licht und geringem Kohlendioxidgehalt wichtig. C4-Pflanzen: Dunkelreaktion und Lichtreaktion in verschiedene Zellen aufgetrennt. Der Sauerstoff aus der Lichtreaktion entsteht daher in einem Zelltyp, die Bindung von Kohlendioxid durch die RubisCo in anderen. Der Trick bei der C4-Photosynthese: Pep-Carboxylase bindet Kohlendioxid weit besser als die RubisCo. Es entsteht ein C4-Körper (Oxalacetat), der in Malat umgewandelt wird. Das Malat ist die Transportform, worüber das Kohlendioxid in die Zellen gebracht wird, wo die RubisCo arbeitet. Ausserdem wird das Kohlendioxid durch ein anderes Enzym gebunden und aufkonzentriert. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Kranz-Anatomie C4-Pflanzen: charakteristische Unterschiede in Cytologie und Anatomie (diagnostisch wertvoll): Chloroplastendimorphismus: in den RubisCo-haltigen Zellen fehlen Grana (keine Lichtreaktion!), Grana nur in den RubisCo-freien. Kranzanatomie: Zellen mit RubisCo sitzen in einem Kranz (kurzer Weg der entstehenden Zucker bis zum Abtransport). Morphologie von C4-Pflanzen: Chloroplastendimorphismus und Kranzanatomie zeigen an, dass die untersuchte Pflanze eine C4-Photosynthese benutzt. Die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion der Photosynthese sind auf verschiedene Zellen verteilt. Viele Getreide (aber nicht alle!) sind C4-Pflanzen. Oft C3 und C4-Pflanzen in einer Gruppe, man kann also oft die Arten zuordnen. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Stärke Dunkelreaktion: viele Moleküle Glucose, die durch die Membran erst einmal gefangen sind. Dadurch käme es zur Osmose (Einstrom von Wasser) und dem Anschwellen der Zelle. Polymerisierung unter Wasserabspaltung: Zucker wird in Speicherform gebracht. Konformationen von Zuckern: Die Hydroxylgruppe kann nach unten oder nach oben zeigen, was bei der Polymerisierung die Struktur bestimmt. Zeigt sie nach unten (a-Position), drillt sich die Kette schraubig auf (Amylose). Durch enzymatische Verzweigung entsteht Amylopektin. Das Zuckerpolymer wird erst einmal in den Chloroplasten zwischengespeichert (transitorische Stärke). Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Cellulose Glucose b-glycosidisch verknüpft: keine Schraube wie bei der Stärke, sondern eine Faser (Cellulose). Cellulose bilden das Grundelement der Zellwand und damit der pflanzlichen Architektur. Ein großer Anteil der pflanzlichen Energieerzeugung geht in die Bildung von Cellulose. Cellulose: Wenn die OH-Gruppe nach oben zeigt (b-Stellung), muss jedes zweite Glucosemoleküle um 180° gedreht sein, um ein Polymer zu liefern. Es entsteht nun ein gestrecktes (faseriges) Polymer, die Cellulose. Die b-Verbindung ist biologisch (und biotechnologisch!) schwer zu knacken. Nutzung der in Cellulose gebundenen Energie noch schlecht: Verbrennung, Biogas. viel Potential! Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Wo passiert was? Stroma: DNA, Ribosomen, Synthese mancher plastidärer Proteine, Calvin-zyklus Innere Membran (Thylakoide): hier entsteht der Protonengradient, hier wird ATP gemacht, hier sitzt Chlorophyll Äußere Membran: Eintransport von Proteinen (die meisten müssen importiert werden). Räumliche Ordnung der Photosynthese. Im Mesophyll („Mittelblatt“) befinden sich parenchymatische Zellen mit Chloroplasten. Die Dunkel-reaktion läuft im Stroma, die Lichtreaktion an den den Thylakoiden. Ohne diese Kompartimentierung (Membrantrennung) geht es nicht. Thylakoidraum: hierher werden durch die Atmungskette die Protonen hingepumpt, die dann die ATP-Synthese antreiben. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Woher stammen Plastiden? Sie entstehen nur aus ihresgleichen. Sie enthalten eigene DNS. Ihre Außenmembran ist doppelt. Sie enthalten eigene Ribosomen. Sie erzeugen ihre Proteine z.T. selbst. DNS und prokaryotisch. Ribosomen sind Erklärung: Endosymbiose. Mitochondrien und Plastiden waren eigenständige (prokaryotische) Organismen, die endosymbiotisch aufgenommen und dann durch Gentransfer in den Kern der „Wirtszelle“ domestiziert wurden. Ihr innerer Bau (Doppelmembran, innere Membransysteme) gleicht sich. Plastiden stammen von prokaryotischen, photosynthetischen Cyanobakterien ab. Diese Erklärung heisst Endosymbiontentheorie – der Vorgang selbst heisst Endosymbiose. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Stärkespeicherung Die transitorische Stärke in den Chloroplasten wird nachts wieder in lösliche Dimere (Sucrose, Saccharose) gespalten und über Membrantransporter ins Cytoplasma geschleust. Als Saccharose wird die Energie in der Pflanze in Speichergewebe transportiert. Amyloplasten. Plastiden können im Lauf der Entwicklung verschiedene Formen annehmen, wobei einzelne Stoffwechselleistungen hochgefahren werden. Die Speicherung von Stärke geschieht in sogenannten Amyloplasten, bei denen die Lichtreaktion komplett abgeschaltet wurde. Dort wird die Saccharose in spezialisierten Plastiden, den Amyloplasten, wieder zu Stärke zusammengebaut und gespeichert. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Wer transportiert? Die transitorische Stärke wird in Saccharose gespalten und in die Siebröhren transportiert. Dazu muss die Membran zu den Siebröhren mit besonderen Transportern überbrückt werden. Innerhalb der Siebröhren wandert die Saccharose dann symplastisch von Zelle zu Zelle: fehlender Zellkern und siebartig durchbrochenen Querwände erleichtert das. Siebröhren. Siebröhren bilden den unverholzten Phloëmteil der Leitbündel und transportieren die Assimilate von den Blättern (source) zu den Speichergeweben (sink). Sie sind kernlos und müssen daher von den Geleitzellen mitversorgt werden. Die Querwände sind siebartig geöffnet. Im Zielgewebe (sink) wird die Sucrose dann entladen und wieder zu Stärke polymerisiert. Botanik der Nutzpflanzen Konzepte: Chemie und Biologie der Speicherung Speicherorgane Die Speicherung kann in Wurzeln (Wurzelrüben), in der Sprossachse oder in den Blättern erfolgen. Wurzelspeicherung: im Holzteil (Holzrübe: Rettich), im Bastteil (Bastrübe: Karotte) oder geschichtet (Betarübe: Beete) Sproßspeicherung: oberirdisch (in Epicotyl, Hypocotyl) oder unterirdisch (in Ausläufern oder Rhizomen) Speicherorgane. Speicherwurzeln (Rüben), Speichersprosse (Epicotyl: Kolrabi, Hypocotyl: Radieschen, Sprossausläufer (Kartoffel), Rhizom (Ingwer) und Speicherblätter (Keimblätter: Bohne, Fruchtblätter: Kirsche, Niederblätter: Zwiebel). Blattspeicherung: Speicherkeimblätter bei Leguminosen und Kohlge-wächsen, fleischige Fruchtblätter der Rosengewächse, Niederblätter (Zwiebeln) der Liliengewächse. Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Assimilationsparenchyme Echte Aloë (Aloë vera L.), Aloëgewächse (Aloaceae) Blattparenchym Stark vacuolisierte Zellen, linsenförmige Chloroplasten. Die Zellkerne sind durch Chloroplasten verdeckt. viele die Einfacher Aufbau: im Innern ein einheitliches Mesophyll, keine funktionale Unterteilung. Assimilationsparenchym. Das Aloëblatt lässt sich leicht schneiden und ist daher gut geeignet, um photosynthetisches Gewebe zu demonstrieren. In den Zellen des Mesophylls sind zahlreiche Chloroplasten zu erkennen. Hier wird Kohlendioxid gebunden und Sauerstoff freigesetzt. Achtung: bei den meisten Blättern komplexer mit zwei funktionell spezialisierten Typen von Assimilationsparenchyme (mehr später) Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherparenchyme Kartoffel (Solanum tuberosum L.), Nachtschattengewächse (Solanaceae) Speicherparenchym der Sprossknolle Beispiel für Stärkespeicherung in einem Sprossorgan (unterirdische Sprossknolle). Gewebe: Parenchym (Grundgewebe) mit dünnwandigen, stark vacuolisierten Zellen. Zahlreiche in Amyloplasten umgewandelte Plastiden („Stärkekörner“). Nachweis der Stärke über Jod-JodKalium (Lugolsche Lösung): •J2 + J- [J3]Stärkenachweis mit Lugolscher Lösung. Speicherparenchym der Kartoffel, durch Jod-Ketten im Innern der Amylose wird das Licht stark absorbiert. Nachweis von amylosereicher Stärke (Nudel, links) versus amylopectinreicher Stärke (japanischer Reis, rechts). J2 + [J3]- [J5]- •Amylosehelix innen hydrophob, lagert die Tri- und Pentajodide ein, so dass diese zu längeren, stark gefärbten Ketten kondensieren. Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherparenchyme Sommerweizen (Triticum aestivum L.), Süssgräser (Poaceae) Speicherparenchym des Mehlkörpers in der Karyopse Beispiel für Stärkespeicherung im Endosperm einer Frucht. Wichtigste Kalorienquelle der Menschheit. Amyloplasten der Süßgräser sind von einer Hülle aus Proteinen, Kohlehydraten und Lipiden, der Glutenschicht umgeben. Bei manchen Menschen löst Gluten eine Autoimmunreaktion aus (Cöliakie). Mehlkörper der Getreide. Die Früchte der Süßgräser (Karyopsen) enthalten den stärkereichen Mehlkörper mit zahlreichen Amyloplasten, dieser ist von der eiweißreichen Aleuronschicht umgeben. Bei der Keimung mobilisiert der Embryo den Abbau der Amylose zu Maltose. Der Embryo gibt bei der Keimung das Hormon Gibberellin ab, dieses induziert in der Aleuronschicht Amylase. Diese spaltet Amylose zu löslichen Disacchariden (Maltose). Biotechnische Nutzung: Bierbrauen! Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherorgane Haselnuss (Corylus avellana L.), Birkengewächse (Betulaceae) Speicherparenchym der Keimblätter Beispiel für Speicherung in Speicherkeimblättern. In der Regel in Form von Öl. Diese enthalten das wertvolle Nussöl, besonders reich an ungesättigten Fettsäuren (Oleinsäure), Phytosterolen, und Antioxidantien (z.B. Vitamin E). Speicherkeimblatt. Die Parenchymzellen der Haselnuss sind mit riesigen Öltröpfchen (Oleosomen) angefüllt. Öle werden aus über Coenzym A aktivierten C2-Körpern gebildet, die dem Calvinzyklus entstammen. Sie enthalten einen sehr hohen C/O Anteil (mehr Energie/Masse). Durch den hohen C/O Gehalt ist der Energiegehalt pro Masse höher als bei Kohlehydraten (die ja schon O enthalten, also schon „teilweise „oxidiert“ sind. Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherorgane Bohne (Phaseolus vulgaris L.), Schmetterlingsblütler/Leguminosen (Fabaceae) Speicherkeimblätter, Hülsenfrucht Beispiel für Speicherung in Speicherkeimblättern. Nur bei den Leguminosen in Form von Protein. Warum? Protein ist stickstoffreich – Stickstoff ist bei Pflanzen Mangelware. Leguminosen besitzen endosymbiontische Rhizobien, die den Luftstickstoff fixieren können und können sich daher “leisten” Proteine als Speicherstoff zu nutzen. Speicherkeimblatt der Bohne. Das Innere der Hülsenfrüchte bestehen fast ausschließlich aus zwei Speicherkeimblättern (im Gegensatz zum Endosperm Teil des Embryo). Diese speichern Protein und sind daher für die menschliche Ernährung sehr wichtig (z.B. Sojaprodukte). Nach der Keimung schrumpfen die Keimblätter zusammen, weil das Protein in den wachsenden Keimling transferiert wird. Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherorgane Topinambur (Helianthus tuberosus L.), Korbblütler (Asteraceae) Speicherknolle Beispiel für Speicherung in einem unterirdischen Sprossorgan. Um 1600 nach Frankreich geschickt, später von Kartoffel verdrängt. Im Schwarzwald noch angebaut (frosthärter). Topinamburschnaps ("Rossler" von "Rosskartoffel"). Renaissance durch Naturkost. Für Diabetiker geeignet (Darm kann Inulin nicht aufnehmen). Topinambur als Diätetisches Lebensmittel. Die Erdbirne Topinambur, eine Verwandte der Sonnenblume stammt aus Mexiko und speichert Inulin (auch Alantstärke) ist ein Polymer aus bis zu 100 Fructoseresten mit einem endständigen Glucoserest. Knolle gebildet aus unterirdischen Sprossausläufern, die an der Basis von Niederblättern entspringen. Es handelt sich daher um eine Sprossknolle. Botanik der Nutzpflanzen Praxis: Speicherorgane Scharbockskraut (Ranunculus ficaria L.), Hahnenfußgewächse (Ranunculaceae) Wurzelknolle Beispiel für Speicherung in einer Wurzelknolle. Einer der wenigen Vertreter der Hahnenfussgewächse, der für die menschliche Ernährung genutzt werden kann. Wurzelknolle. Beim Scharbockskraut wird in der primären Rinde Stärke eingelagert (Nachweis durch Lugolsche Lösung), wodurch sich die Rinde verdickt und Knollen bildet. Die Leitbündel liegen hier im Zentrum, wodurch man eindeutig sieht, dass es sich um ein Wurzelorgan handelt. Im Frühjahr in Mitteleuropa früher eine der ersten nutzbaren Pflanzen. Da sie reich an Vitamin C war, verhinderte sie auch den am Ende des Winters sonst unvermeidlichen Skorbut (der Name bedeutet eigentlich „Skorbutskraut“) Botanik der Nutzpflanzen Zusammenfassung Food for Fuel? Photosynthese Biologie und Chemie der Energiespeicherung Assimilationsparenchyme Speicherparenchyme Speicherorgane Botanik der Nutzpflanzen Anwendung: Energiepflanzen der nächsten Generation Der Grundkonflikt Der Großteil der pflanzlichen Biomasse (Cellulose) ist nur indirekt und nicht sehr effizient (Biogas) für die Energieerzeugung nutzbar. Direkt nutzbar sind nur Öle (Biodiesel) und Stärke (Vergärung zu Bioethanol). Diese direkt nutzbaren Anteile werden sonst für die Ernährung genutzt. Botanik der Nutzpflanzen Anwendung: Energiepflanzen der nächsten Generation Strategie 1: Cellulose Wirkungsgrad für die Umwandlung Cellulose in Energie ist durch den Umweg über Mikroorganismen (Biogas) nicht sehr hoch. Nur ein kleiner Teil der photosynthetisch gebundenen Energie wird momentan genutzt. Ansatz 1: Enzyme die Holz/Cellulose verdauen können (marine Krustentiere, die Holz verdauen, Zellwand-Enzyme aus Pflanzen. In dem europäischen Verbundprojekt „Renewall“ geht es darum, mithilfe von biotechnologischen Verfahren Cellulose (die ja aus b-1,4-verknüpfter Glucose besteht) zu „verzuckern“ und damit für die Bioethanol-Erzeugung zugänglich zu machen. Damit ließe sich der Konflikt deutlich entschärfen. Ansatz 2: Züchtung von Pflanzen, deren Zellwand für Saccharifizierung leichter zugänglich ist. Botanik der Nutzpflanzen Anwendung: Energiepflanzen der nächsten Generation Strategie 2: marginal lands Viele Pflanzen sind in der Lage, auf landwirtschaftlich nicht nutzbaren Grenzflächen (marginal lands) zu wachsen und Energie zu binden. Durch Nutzung dieser Pflanzen kann man den Zielkonflikt zur Erzeugung von Nahrungsmitteln mildern. Da diese Pflanzen bislang nicht als Kulturpflanzen genutzt wurden, steht die Züchtung am Anfang. Jatropha curcas ist eine anspruchslose tropische Pflanze, die in ihren Samen (Speicherkeimblätter) sehr viel Öl speichert. Bislang spielte sie als Nutzpflanze keine Rolle. Man beginnt nun, die auf Madagaskar vorhandene Biodiversität für die Züchtung einzusetzen. Man nutzt die genetische Diversität in Verbindung mit konventioneller Züchtung und molekularen Markern (molecular assisted breeding). Botanik der Nutzpflanzen Take-home question: Können wir mit Energiepflanzen die Welt retten?
