Keimungspraktikum

 Biologiepraktikum 6. Semester Keimungspraktikum Hinweis: Damit die Resultate dieses Praktikums optimal protokolliert werden kön‐
nen, muss jede Gruppe auf einem separaten Blatt eine Protokollvorlage herstellen. Diese muss dann zu Beginn des Praktikums der Lehrkraft vorgewiesen werden. 1. Theorie 1.1. Die Struktur des reifen Samens Während der letzten Reifestadien dehydriert der Samen, bis er nur noch einen Wassergehalt von unge‐
fähr fünf bis 15 Prozent seines Gewichts aufweist. Das Embryowachstum ist nun beendet und wird bis zur Keimung des Samens ruhen. Der Embryo ist von seinen vergrösserten Cotyledonen oder vom En‐
dosperm oder von beiden umgeben. Embryo und Nahrungsvorrat sind in einer Samenschale (Testa) ein‐
geschlossen, die von den Integumenten der Samenlage gebildet wird. Sie können einen dicotylen Samen näher betrachten, wenn Sie den Samen einer Gartenbohne (Phaseolus vul‐
garis) öffnen (Abbildung a). In diesem Stadium ist der Embryo eine gestreckte Struktur, eine Achse, der die Cotyledonen (Keimblätter) anhängen. Die Embryo‐
achse unterhalb des Ansatzpunktes der Cotyledonen wird als Hypocotyl (vom griechischen hypo für "unter") bezeichnet. Das Hypocotyl endet in der Radicula, der Keimwurzel. Den Teil der Embryoachse oberhalb der Cotyledonen nennt man Epicotyl (vom griechischen epi für "auf" oder "über"). An seiner Spitze befindet sich die Plumula (Keim‐ oder Stammknospe). Sie besteht aus der Spross‐Spitze mit einem Paar Miniaturblättern. Die Cotyledonen der Gartenbohne sind vor der Keimung fleischig, da sie bei der Samenentwicklung mit Nähr‐
stoffen aus dem Endosperm beladen werden. Die Sa‐
men einiger Dicotyledonen, wie zum Beispiel die des Ri‐
zinus (Ricinus communis), halten ihre Nahrungsreser‐
ven im Endosperm zurück und haben sehr dünne Keim‐
blätter (Abbildung b). Diese übernehmen die Nährstoffe erst dann aus dem Endosperm und leiten sie zum Emb‐
ryo, wenn der Samen keimt. Der Samen einer Monocotyledonen wie Mais besitzt ein einzelnes Keimblatt (Abbildung c), das Scutellum. Die‐
ses ist sehr dünn, hat aber eine grosse Oberfläche, was die Absorption von Nährstoffen während der Keimung erheblich verbessert. Der Embryo ist von einer Scheide eingeschlossen. Diese Scheide besteht aus einer Coleor‐
rhiza, welche die Wurzel bedeckt und ein Coleoptile, die Abb. 1: Samen verschiedener Pflanzen den embryonalen Spross einschliesst. 1.2. Evolutionäre Anpassungen im Keimungsprozess erhöhen die Überlebenschancen des Keimlings Die Keimung des Samens symbolisiert für viele Menschen den Beginn pflanzlichen Lebens. Tatsächlich enthält aber der Samen bereits eine winzige Pflanze, vollständig ausgerüstet mit Keimwurzel und Keim‐
spross. Bei der Keimung handelt es sich demnach nicht um den Lebensbeginn einer Pflanze, sondern um Sy/Zö Seite 1 04.08.2015 Biologiepraktikum 6. Semester die Wiederaufnahme von Wachstum und Entwicklung, die zeitweilig aussetzten, als der Samen reifte und der Embryo in eine Ruhephase überging. Manche Samen keimen, sobald sie sich in einer geeigneten Um‐
gebung befinden. Andere Samen befinden sich in einer Keimruhe (Dormanz) und keimen erst, wenn ein spezifisches Signal aus der Umwelt diese bricht. 1.3. Keimruhe Die Entwicklung des Samens war einer der wichtigsten Faktoren bei der Anpassung der Pflanzen an die speziellen Probleme, die sich beim Leben und der Fortpflanzung auf dem Festland stellen. Terrestrische Lebensräume sind mit ihren schwankenden Umweltbedingungen, wie Temperatur und Wasserverfüg‐
barkeit, im Allgemeinen nicht so konstant wie Seen oder Meere. Die Keimruhe der Samen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Keimung zu einem Zeitpunkt und an einem Ort stattfindet, der für den Keimling möglichst vorteilhaft ist. So keimen zum Beispiel Samen von Wüstenpflanzen nur nach einem ausgiebigen Regenfall. Würde dies schon nach einem bescheidenen Sprühregen geschehen, könnte der Boden für den Keimling schon bald wieder zu trocken sein. Wo Naturfeuer häufig auftreten, benötigen Samen intensive Hitze, um die Keimruhe zu brechen. Daher sind Keimlinge reichlich vorhanden, nach‐
dem ein Feuer konkurrierende Vegetation beseitigt hat. In Gegenden mit harten Wintern sind die Samen für längere Zeit der Kälte ausgesetzt. Demzufolge keimen Samen, die im Sommer oder Herbst ausgesät werden, nicht vor dem folgenden Frühling. Dies stellt eine lange Wachstumsperiode bis zum nächsten Winter sicher. Sehr kleine Samen, wie die einiger Latticharten, benötigen für ihre Keimung Licht und brechen ihre Keimruhe nur, wenn sie flach genug eingesät werden, damit der Keimling über die Boden‐
oberfläche hinausragen kann. Manche Samen besitzen eine Schale, die während der Passage durch das tierische Verdauungssystem chemischen Angriffen ausgesetzt und geschwächt werden muss. Hinzu kommt, dass sie auf dieser Weise wahrscheinlich weiter verbreitet werden, bevor sie keimen. Der Zeitraum, in dem ein ruhender Samen lebens‐ und keimfähig bleibt, schwankt je nach Spezies und Umweltbedingungen zwischen wenigen Tagen bis zu Jahrzehnten oder sogar länger. Die meisten Sa‐
men sind ausdauernd genug, um ein bis zwei Jahre abwarten zu können, bis günstige Bedingungen für die Keimung herrschen. Daher befindet sich im Boden stets eine grosse Zahl ungekeimter Samen, die sich über die Jahre angesammelt hat. Das ist einer der Gründe, warum sich nach Feuer, Dürre, Flut oder anderen Naturkatastrophen sehr rasch neue Vegetation einstellt. 4. Vom Samen zum Keimling Der erste Schritt bei der Keimung vieler Samen ist das Quellen, das heisst die auf dem niedrigen Wasser‐
potential des trockenen Samens beruhende Aufnahme von Wasser. Die Wasserspeicherung verursacht ein Ausdehnen des Samens sowie ein Aufplatzen der Schale und löst Veränderungen im Metabolismus des Embryos aus, der dadurch zur Wiederaufnahme seines Wachstums veranlasst wird. Enzyme begin‐
nen, die Vorratsstoffe des En‐
dosperms oder der Cotyledonen abzubauen, und die Nährstoffe werden zu den Wachstumszo‐
nen des Embryos transportiert. In Gerstenkörnern und anderen Getreiden wurde diese Mobili‐
sierung von Nahrungsreserven am Ausführlichsten untersucht. Daher werden wir Getreide als ein Beispiel für diesen Vorgang Abb. 2: Mobilisierung von Nahrungsreserven bei Getreidekörnern nehmen (Abbildung links). Bald nach der Wasseraufnahme be‐
ginnt das Aleuron, die dünne äussere Schicht des Endosperms, mit der Bildung von a‐Amylase und an‐
Sy/Zö Seite 2 04.08.2015 Biologiepraktikum 6. Semester deren Enzymen, welche die im Endosperm gespeicherte Stärke abbauen. (Ein ähnliches Enzym in unse‐
rem Speichel trägt zur Verdauung von Brot und anderen aus stärkehaltigem Endosperm ungekeimter Getreidekörner hergestellten Lebensmitteln bei.) Wird der Embryo aus einem Samen entfernt, bevor dieser mit Wasser in Berührung kommt, wird keine α‐Amylase produziert. Das lässt vermuten, dass der Embryo ein Signal an das Aleuron schickt, um die Enzymbildung zu initiieren. Dieses chemische Signal wurde als eine Klasse von Pflanzenhormonen identifiziert, die man als Gibberelline bezeichnet. Das erste Organ, das aus dem keimenden Samen austritt, ist die Radicula oder Keimwurzel. Als nächstes muss die Spross‐Spitze die Erdoberfläche durchbrechen. Bei Gartenbohnen und anderen Dicotyledonen (Abbildung a) bildet sich im Hypocotyl ein Haken. Durch das Wachstum wird dieser Haken über die Erd‐
oberfläche hinausgeschoben. Lichtstimulierung richtet das Hypocotyl auf und hebt die Cotyledonen so‐
wie das Epicotyl an. Auf diese Weise werden der zarte Spross‐Scheitel und die massigen Cotyledonen eher über die Erdoberfläche hinausgezogen, als mit der Spitze voran durch den schmirgelartig wirkenden Boden gestossen. Das Epicotyl breitet nun seine ersten Laubblätter aus, die sich entfalten, ergrünen und mit der Nahrungsproduktion durch Photosynthese beginnen. Die Cotyledonen verwelken und fallen vom Keimling ab. Ihre Nahrungsreserven wurden vom keimenden Embryo verbraucht. Für den Keimling ist Licht der Haupthinweis darauf, dass er den Boden durchbrochen hat. Das Hyopocotyl der Gartenbohne streckt sich solange und schiebt seine Ha‐
kenkrümmung aufwärts, bis es aus der Dunkelheit heraustritt. Erst wenn der Keimling Licht wahrnimmt, richtet sich der Haken auf, und das Epicotyl beginnt sich zu strecken. Lassen wir den Samen im Dun‐
keln keimen, können wir den Keimling mit diesem Trick dazu bringen, sich so zu ver‐
halten, als ob er noch vergraben sei. Der un‐
belichtete Keimling streckt dann ein über‐
trieben langes Hypocotyl mit einem Haken an seiner Spitze in die Höhe, und die Laub‐
blätter werden nicht grün. Nachdem der Keimling seine Nahrungsreserven er‐
schöpft hat, hört er auf zu wachsen und stirbt. Erbsen zeigen ein anderes Keimverhalten (Abbildung b), obwohl sie derselben Fami‐
lie wie die Bohnen angehören. Ein Haken bildet sich im Epicotyl, nicht im Hypocotyl. Der Spross wird sanft durch Strecken des E‐
picotyls und Aufrichten des Hakens aus dem Boden herausgehoben. Die Cotyledo‐
nen der Erbse bleiben im Gegensatz zu de‐
nen der Bohne im Boden zurück. Monocotyledonen wie zum Beispiel Mais durchbrechen bei ihrer Keimung auf noch andere Weise den Boden. Die Coleoptile, Abb. 3: Keimung verschiedener Pflanzen die den Keimspross umschliessende Keimblatt‐
scheide, schiebt sich nach oben durch den Boden in die Luft. Der Spross wächst dann durch den von der röhrenförmigen Coleoptile gebildeten Tunnel gerade nach oben (Abbildung c). Sy/Zö Seite 3 04.08.2015 Biologiepraktikum 6. Semester Die Keimung eines Pflanzensamens ist genau wie die Geburt oder das Schlüpfen eines Tieres ein kriti‐
sches Entwicklungsstadium. Der widerstandsfähige Samen bringt einen zerbrechlichen Keimling hervor, der Räubern, Parasiten, Wind und anderen Gefahren ausgesetzt ist. In der freien Natur überlebt nur ein kleiner Bruchteil von Keimlingen, um sich selbst wieder fortpflanzen zu können. Den Risiken im Überle‐
ben des Individuums steht die Produktion einer enormen Anzahl von Samen gegenüber, die der natürli‐
chen Selektion reichlich Material für die Sichtung nach den erfolgreichsten genetischen Kombinationen anbietet. Betrachtet man jedoch die bei Blüte und Fruchtbildung verbrauchten Resourcen, ist feststellen, dass es sich hierbei um eine sehr aufwendige Art der Fortpflanzung handelt. Die ungeschlechtliche (ase‐
xuelle) Reproduktion ist eine alternative Form der Vermehrung, die im Allgemeinen einfacher und für die Nachkommen weniger gefährlich ist als die geschlechtliche (sexuelle) Fortpflanzung. 2. Ziele: I. Den Quellungsdruck der Keimung erleben. II. Kennenlernen der Faktoren welche die Keimung beeinflussen. III. Genaues Protokollieren von Wachstumsprozessen üben. 3. Material: 3.1.) Quellung a) Quantitative Untersuchung der Quellung Messzylinder 100 ml Deckeldose Erbsen Pisum sativum b) Quellungsdruck Joghurt‐ oder Wegwerfbecher 1,5 dl Modellgips (vorbereitet) Becherglas 250 ml Erbsen Pisum sativum Allgemein: Haushaltspapier Schere 10 ml Spritze 2. Becherglas 250 ml für Leitungswasser Permanent‐Marker Kühlschrank 4ºC Wärmeschrank 37ºC 3.2.) Keimung a) Einfluss von Sauerstoff auf die Keimung 2 Glas‐Petrischalen mit Deckel Erbsen Pisum sativum b) Einfluss der Temperatur auf die Keimung 3 P‐Petrischalen mit Deckel Alufolie Scotchtape Samen von Kresse Lepidium sativum c) Natürliche keimungshemmende Substanzen 5 P‐Petrischalen mit Deckel Orangensaft Apelsaft Orangenscheibe Apfelscheibe Samen von Kresse Lepidium sativum d) Einfluss des Lichtes auf die Keimung 6 P‐Petrischalen mit Deckel Samen von Kresse Lepidium sativum Samen von Zwiebel Allium cepa Samen von Jungfer im Grünen Nigella damascena Alufolie Sy/Zö Seite 4 04.08.2015 Biologiepraktikum 6. Semester 4. Arbeit: 4.1.) Quellung a) Quantitative Untersuchung der Quellung In einem 100 ml Messzylinder wird in 50 ml Wasser das Raumvolumen von 50 Erbsen bestimmt. Nach der Volumenbestimmung werden Wasser und Erbsen in eine Deckeldose umgegossen. Nach 24 h, 48 h und 96 h werden die Erbsen abgetrocknet und das Raumvolumen erneut in 50 ml Wasser gemessen. b) Quellungsdruck In einen halb mit Gips gefüllten Joghurtbecher werden ca. 10 trockene Erbsen eingedrückt. Anschlies‐
send wird der Becher mit Gips ausgegossen. Nach dem Erstarren des Gipses wird der Gipsklotz in Wasser eingelegt. Das Resultat wird nach 24 h protokolliert. 4.2.) Keimung a) Einfluss von Sauerstoff auf die Keimung 20 Erbsen werden je in eine, mit zwei Lagen Haushaltpapier (selber zuschneiden) ausgelegte Glas‐Pet‐
rischale gegeben. Eine der beiden Petrischalen wird mit Wasser gefüllt, so dass die Erbsen vollständig bedeckt sind und damit keinen Luftkontakt mehr haben. Die andere so, dass die Erbsen ca. halb bedeckt sind (evtl. muss nach 48 h etwas Wasser nachgefüllt werden). Auswertung nach 24 h, 48 und 96 h. b) Einfluss der Temperatur auf die Keimung 3 P‐Petrischalen werden je mit vier Lagen Haushaltpapier belegt, mit 10ml Wasser befeuchtet und 20 Samen der Gartenkresse (Lepidium sativum) bestückt. Anschliessend werden die Schalen mit Klebeband verschlossen und bei verschiedenen Temperaturen inkubiert (4°C im Kühlschrank, 20°C Zimmertempe‐
ratur und 36°C im Wärmeschrank). Alle Schalen werden im Dunkeln gehalten (in Alufolie einwickeln). Die Ergebnisse nach 48h protokollieren. c) Natürliche keimungshemmende Substanzen Die zwei Lagen Haushaltpapier von 3 P‐Petrischalen werden mit je 7ml Orangensaft, Apfelsaft und mit Leitungswasser getränkt. In 2 weitere Petrischalen werden auf das mit 7 ml Wasser getränkte Haushalts‐
papier je eine dünne Scheibe Apfel oder eine dünne Scheibe Orange ausgelegt. Auf jeden der 5 "Nährbö‐
den" werden 10 Kressesamen ausgelegt. Nach 48 h wird das Ergebnis protokolliert. d) Einfluss des Lichtes auf die Keimung 6 P‐Petrischalen werden mit zwei Lagen Haushaltpapier belegten und mit 7ml Wasser befeuchteten. 2 Petrischalen werden mit je 20 Samen Kresse (Lepidium sativum), 2 Petrischalen mit je 20 Samen der Kü‐
chenzwiebel (Allium cepa) und 2 Petrischalen mit je 20 Samen der Jungfer im Grünen (Nigella sativa) be‐
stückt. Jeweils eine der Schalen mit gleichartigen Samen stellt man im Licht auf, die anderen werden mit Alufolie verdunkelt. Nach 96 h werden die Keimungsgrade der einzelnen Ansätze verglichen. Unbedingt zu beachten:  Das Protokollieren gut vorbereiten! (Genaues Auszählen der gekeimten Samen, genaue Mes‐
sung der Länge der einzelnen Keimlinge, Farbe der einzelnen Keimlinge, Anzahl Keimlinge mit offenen Keimblättern, evtl. Pilzbefall)  Jede Gruppe entsorgt nach der Sammlung der Resultate die Samen und Keimlinge und reinigt und trocknet ihre Schalen bevor sie sie in die bereitstehenden Wannen stellen!  Es kann sein, dass einige Versuche austrocknen könnten, deshalb bist Du selber dafür verant‐
wortlich, dass die Keimlinge genug Wasser bekommen! Zu diesem Praktikum schreibst Du einen Bericht gemäss den Richtlinien der Biologie. Die Note des Berichtes gilt als Praktikumsnote für dieses Semester. Sy/Zö Seite 5 04.08.2015 Biologiepraktikum 6. Semester Da die Resultate dieses Praktikums in den dem Praktikum folgenden Tagen gesam‐
melt werden müssen, entstehen bei manchen Gruppen Schwierigkeiten, die verlang‐
ten Zeiten genau einzuhalten. Deshalb kannst Du Dich an folgende Tabelle für das Ablesen Deiner Resultate halten. Ablesen nach 24h Ablesen nach 48h Ablesen nach 96h Praktikumstag Montag Dienstag Mittwoch Freitag Ablesen nach 24h Ablesen nach 48h Ablesen nach 144h Praktikumstag Dienstag Mittwoch Donnerstag Montag Ablesen nach 24h Ablesen nach 48h Ablesen nach 120h Praktikumstag Mittwoch Donnerstag Freitag Montag Ablesen nach 24h Ablesen nach 96h Ablesen nach 120h Praktikumstag Donnerstag Freitag Montag Dienstag Ablesen nach 72h Ablesen nach 96h Ablesen nach 120h Praktikumstag Freitag Montag Dienstag Mittwoch Sy/Zö Seite 6 04.08.2015