Hauptstudium

Das Lehrangebot des Lehrstuhls für Stoffwechselphysiologie und Biochemie der Pflanzen umfaßt Veranstaltungen zur Stoffwechselphysiologie und Ökophysiologie, zur molekularen Biochemie und Biotechnologie und zur Formenkenntnis von Pflanzen, sowohl im Grund- wie auch im Hauptstudium. Die nachfolgend aufgelisteten Veranstaltungen finden entweder regelmäßig, d.h. im jährlichen Turnus von WS und SS statt, teilweise aber auch nur nach Maßgabe freier Kapazitäten in unregelmäßigen Abständen (s.a. Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis der Fakultät: eKVV).

Vorlesung: "Antioxidantien"
Blockpraktikum: Streßphysiologie der Pflanzen - Biochemische Grundlagen
Praktikumsblock: "Umweltschadstoffe und Stoffwechsel"
Praktikumsblock: "Schwermetalle in Pflanzen"
Praktikumsblock: "Physiologie der Photosynthese"
Praktikumsblock: "Grundstoffwechsel der Pflanzenzelle: Ioneneinfluß"
Praktikumsblock: Biochemische Grundlagen der pflanzlichen Anpassung an Umweltstreß
Seminar "Das andere Gesicht des Sauerstoffs - Sauerstoffradikale in biologischen Systemen"

Vorlesung: "Einführung in die Molekularbiologie der Pflanzen" Vorlesung "Einführung in die Molekularbiologie der Pflanzen" :
Vorlesung und Seminar: "Biotechnologische Aspekte moderner Pflanzenphysiologie"
Seminar: "Die Physiologie pflanzlicher Membranen"
Praktikumsblock: "Molekularbiologie der Pflanzen"
Praktikumsblock: "Pflanzliche Molekularbiologie: Reportergene"
Praktikumsblock: "Vom Protein zum Gen"
Praktikumsblock: "Phytohormone"
Praktikumsblock: "Das Ergrünen etiolierter Pflanzen"

Seminar: "Vegetation der Atlantikküste: Bretagne"
Exkursion: "Atlantik – Bretagne"
Praktikumsblock: "Morphologie und Physiologie von Kleinpilzen"

In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre sind Organismen stets von unkontrollierten Oxidationsreaktionen bedroht, die u.a. Enzyme inaktivieren und DNA und Strukturmoleküle schädigen können. Antioxidantien sind Schutzstoffe, die helfen, das Zellmilieu reduziert zu halten. Sie erhöhen die Umwelttoleranz und können Alterungsprozesse verlangsamen. Natürliche Antioxidantien sind z.B. Ascorbat (Vitamin C) und Tocopherol (Vitamin E), die von Pflanzen und vielen Mikroorganismen gebildet werden können. Von vielen Tieren (u.a. Menschen) müssen sie jedoch mit der Nahrung aufgenommen werden, um den Stoffwechsel vor oxidativen Schäden zu schützen. In der Vorlesung wird nach einer Beschreibung des Gefahrenpotentials von reaktiven Sauerstoffspezies die Biosynthese und die Wirksamkeit von Antioxidantien vorgestellt, um schließlich auf die Anwendung von Antioxidantien in der Lebensmittelindustrie, Medizin und Kosmetik einzugehen.

Blockpraktikum: Streßphysiologie der Pflanzen - Biochemische Grundlagen
(BAIER/DIETZ/GEORGI/GOLLDACK/KANDLBINDER)

Pflanzen sind als Primärproduzenten mit spezifischen, auch modifizierbaren Syntheseleistungen und ausgeprägter Anpassungsfähigkeit nicht nur landwirtschaftlich, sondern auch biotechnologisch interessant. Gezielte biotechnologische Nutzung von Pflanzen verlangt grundlegende pflanzenphysiologische Kenntnisse, z.B. (1) zur Flußkontrolle in biologischen Systemen, wenn Stoffwechselwege manipuliert werdenm, (2) zur Mineralernährung und Xenobiotikaentgiftung, wenn Schwermetall- oder organochemisch belastete Böden einer 'Bioremediation' durch geeignete Pflanzen unterzogen werden, (3) zu Toleranzmechanismen, wenn sensitive Arten Resistenz gegenüber Ozon u.ä. Stressoren erlangen sollen oder (4) zu den Stoffwechselwegen, wenn z.B. Gerste für beigeschmackfreies Bier oder 'ideale Fette' für die Nahrungsmittelindustrie erzeugt werden sollen.

Im Praktikum wird die Wirkung von Luftschadstoffen (Schwefeldioxid, Autoabgase, Ozon), Herbiziden (DIURON, NORFLURAZON o.a.) und Schwermetallionen (Blei, Kupfer, Zink) auf Pflanzen untersucht: Photosyntheseaktivität, Pigmentzusammensetzung und -synthese, photosynthetischer Elektronentransport, Lipidstruktur und Verhalten von Membranen, Enzymfunktion (RubPCO, Acetolactat-Synthase), Oxidationsschutzmechanismen (Katalase, Ascorbat, Glutathion). Das Praktikum richtet sich in erster Linie an Studierende Lehramt und Umweltwissenschaften.

Einige Schwermetalle werden als Spurenelemente benötigt, z.B. Eisen, Zink, Mangan, Molybdän. Auf der anderen Seite stellen die gelösten Kationen aller Schwermetalle oberhalb gewisser Schwellenkonzentrationen (je nach betrachtetem Element) starke "Umweltgifte" dar. Dementsprechend verfügen alle Lebewesen über grundlegende Mechanismen, die Aufnahme, intrazelluläre Verfügbarkeit und Ausscheidung von Schwermetallen zu kontrollieren. Anthropogene Einflüsse haben zu einem beschleunigten Anstieg der Verfügbarkeit vieler chemischer Elemente in der Biosphäre geführt, darunter vieler Schwermetalle. Dies hat in besonders belasteten Lebensräumen zu einem erheblichen Selektionsdruck zugunsten von toleranten Pflanzenvarietäten. Es wird untersucht werden, auf welche Weise Schwermetalle Pflanzen schädigen. Pflanzen werden allerdings nicht nur passiv geschädigt, sondern reagieren aktiv auf die Behandlung mit Schwermetallen. Der Schwerpunkt im Praktikum liegt auf dem essentiellen Schwermetall Zink.

Es werden die Themenbereiche Struktur (Pigmente), Mechanismus (Lichtreaktion) und Physiologie behandelt. Letzteres mit: begrenzende Faktoren, ökologische Anpassungen, anthropogene Beeinträchtigungen. Das Praktikum richtet sich in erster Linie an Studierende Lehramt.

Praktikumsblock "Grundstoffwechsel der Pflanzenzelle: Ioneneinfluß"
(GEORGI)

Die Ionenaufnahme und die durch sie verursachten ökophysiologischen Veränderungen können eindrucksvoll an Wurzeln von Keimlingen Höherer Pflanzen in Agarschichten gezeigt werden. Der Nachweis der Notwendigkeit und der Funktion von (Makro-)Nährelementen, wie z.B. Kalium, (als auch die Wirkung toxischer Ionen(konzentrationen)), wird durch die Untersuchung einer Grünalgenkultur (Chlorella spec.) geführt: Wachstum (Vermehrung), Zusammensetzung und physiologische Leistung eines pflanzlichen Organismus lassen sich an einer solchen sehr gut verfolgen und analysieren.(An Hand dieses Versuches werden sowohl grundlegende Techniken der chemisch-physiologischen Analytik vermittelt und eingeübt, als auch besonderer Wert auf den Umgang und die Verarbeitung großer Mengen von Meßdaten gelegt.) Die Überproduktion von Citronensäure durch bestimmte Mikroorganismen, z.B. den "Schwarzen Köpfchenschimmel" Aspergillus niger (Ascomycetes), ist Folge einer Fehlregulation des Stoffwechsels bei eingeschränkter (Unter-)Versorgung mit den Spurenelementen Eisen und Zink. Im Versuch wird die bei unterschiedlicher Nährlösungszusammensetzung nachweisbare Menge an Citronensäure mit der Massenzunahme des Pilzes und dem Verbrauch an Kohlenhydrat in Beziehung gesetzt und so eine Bilanzierung dieser Stoffwechselreaktion vorgenommen.

Praktikumsblock: Biochemische Grundlagen der pflanzlichen Anpassung an Umweltstreß (BAIER/DIETZ/GEORGI/GOLLDACK/KANDLBINDER)

Das Überleben der Pflanzen hängt von ihrer Fähigkeit ab, widrige Umweltbedingungen zu tolerieren. Am Beispiel des Gerstenkeimlings werden biochemische Schutz-und Toleranz-mechanismen gegenüber Stressoren wie Xenobiotika, Schwermetallen und Starklicht analysiert. Dominante Schutzenzyme werden identifiziert, zellulär lokalisiert, gereinigt und auf ihr Expressionsverhalten unter Stress analysiert. Dabei steht die Einordnung der jeweiligen Enzyme in den Gesamtstoffwechsel im Vordergrund. Dieser Kurs vermittelt die Basis für weiterführende Kurse zur molekularen Analyse von Umweltstreß bei Pflanzen.

Literaturseminar "Neuere Ergebnisse in Biochemie und Physiologie der Pflanzen"
(BAIER/DIETZ/GEORGI/GOLLDACK/KANDLBINDER)

Seminar "Das andere Gesicht des Sauerstoffs - Sauerstoffradikale in biologischen Systemen"
(GEORGI / N.N.)

Sauerstoff ist nicht nur ein essentielles Element auf der Erde, ohne ihn wäre das Leben in seiner heutigen Form nicht denkbar, sondern er zeigt auch in Gestalt seiner 'reaktiven Spezies' überaus schädliche Wirkungen. Stichworte dazu sind z.B.: Photooxidation, 'respiratory burst', Zellalterung/Zelltod, Cancerogenese, Papierzerstörung, u.a.. In den Seminarbeiträgen sollen hauptsächlich diese toxischen Effekte und die verschiedenen Schutzmechanismen der Zelle(n) gegen (freie) Sauerstoffradikale vorgestellt werden, wobei aber auch Sauerstoffradikal-abhängige Stoffwechselprozesse wie die Ligninsynthese besprochen werden.

Veranstaltungen zur molekularen Biochemie und Biotechnologie der Pflanzen

Vorlesung "Einführung in die Molekularbiologie der Pflanzen"
(DIETZ)

Nach einer einführenden Darstellung der Genom- und Genorganisation in höheren Pflanzen werden die gängigen methodischen Ansätze der pflanzlichen Molekularbiologie vorgestellt, z.B. die Identifizierung und Charakterisierung von Genen, die Regulation der Genexpression, die Proteinsortierung in der Zelle, die Erzeugung und Nutzung transgener Pflanzen in Grundlagenforschung und Praxis, die Bedeutung der molekurbiologischen Techniken für ökophysiologische und biochemische Fragestellungen der Pflanzenwissenschaften.

Die Vorlesung behandelt molekulargenetische Grundlagen der pflanzlichen Entwicklung mit dem Schwerpunkt der Zelldifferenzierung und Zellmusterbildung bei der Entwicklung der Organe und Gewebe. Darüber hinaus werden z.B. Mechanismen der Gametogenese und Embryogenese ebenso wie die pflanzliche Seneszenz und die pathologische Morphogenese vorgestellt. Als ein weiterer thematischer Aspekt werden aktuelle Forschungsergebnisse der funktionellen Genomanalyse der pflanzlichen Entwicklung z.B. unter Einsatz von Arabidopsis-Mutanten sowie Transkriptom- und Proteomstudien behandelt. Die Literatur wird zu Beginn der Lehrveranstaltung vorgestellt.

Die Membranen pflanzlicher Zellen sind zentral an der Energiekonversion (Photosynthese), am Nahtransport (z.B. zwischen Cytosol und Plastiden oder Vakuole), am Ferntransport (Phloem, Xylem), an der Signalperzeption (z.B. Hormone) und Signalweiterleitung (Rezeptorkinasen, Ionenkanäle) etc. beteiligt. Diese fundamentale Bedeutung pflanzlicher Membranen wird anhand neuerer Veröffentlichungen herausgearbeitet.

Praktikumsblock "Molekularbiologie der Pflanzen"
(KANDLBINDER/GOLLDACK/BAIER/GEORGI/DIETZ)

Höher Pflanzen haben zum Teil einzigartige Fähigkeiten entwickelt, sich an widrige Umweltbedingungen wie zum Beispiel erhöhte Ionenkonzentrationen, Trockenheit und oxidativen Stress anzupassen. Man kan nun die komplexen Mechanismen, die in Pflanzen der Erscheinungsform, dern Eigenschaften und den Antworten auf Stresoren zugrunde liegen, systematisch aufklären, indem man auf der Basis von Hypothesen gezielte eingriffe durchführt und ihre Auswirkungen auf den Ebenen der Transkription un Translation, Physiologie, protein- und Metabolitmengen untersucht. Am Beispiel einer der Modellpflanzen des Lehrstuhls soll die Anpassung eines ausgewählten Stoffwechselweges an einen abiotischen Stressor charakterisiert werden. Grundlegende Arbeitstechniken der pflanzlichen Molekularbiologie werden eingesetzt. Zum Beispiel Isolierung von Nukleinsäuren, PCR, DNA/RNA-Hybridisierungstechniken und weiterführende bioinformatische Analysen. Darüber hinaus stehen physiologische Basismethoden wie Chlorophyllfluoreszenzanalyse als Stressindikator zur Verfügung.

Praktikumsblock "Pflanzliche Molekularbiologie: Reportergene"
(BAIER/GOLLDACK/DIETZ)

Reportergene sind künstliche Gene aus einem Promotor und dem kodierenden Bereich eines Fremdgens, dessen Genprodukt ine einfach nachzuweisende Reaktion katalysiert. Sie sind Hilfsmittel, um das Schaltverhalten von Promotoren im lebenden Organismus zu verfolgen, und liefern zeitlich und räumlich aufgelöste Informationen über die Aktivität des verwendeten Promotors. Im Kurs wird mit stabilen Reportergenlinien gearbeitet. Versuchsobjekt ist die genetische Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Die inhaltlichen Fragestellungen werden sich mit entwicklungsabhängiger Genexpressionsregulation und Stressinduktion von Genen befassen, die über verschiedene cis-Elemente im Promotor vermittelt werden. In weiterführenden Experimenten kann durch Effektorstudien die Signaltransduktion untersucht werden. Es wird ein Einblick in histochemische und in vitro Methoden bei der Reportergenanalyse in Pflanzen gegeben. Bei vergleichenden Expressionsstudien wird auf weitere, grundlegenden molekularbiologischen Methoden eingegangen (z.B. Nukleinsäureisolierung, Northern-Blot-Hybridisierung; semi-quantitative RT-PCR) und es werden grundsätzliche physiologische Probleme (z.B. Referenzwert, Umweltadaptation) angesprochen. Molekularbiologische Grundkenntnisse werden vorausgesetzt und der Besuch der Vorlesung "Molekularbiologie der Pflanzen" empfohlen.

Die molekulare Analyse pflanzlicher Stoffwechselprozesse kann von sehr unterschiedlichen Ausgangspunkten ausgehen. Bei Kenntnis der beteiligten Gene – beispielsweise aus Genomprojekten - kann man anhand der Sequenz die Aminosäuresequenz der kodierten Proteine herleiten und erste Struktur-, und aufgrund von Sequenzhomologievergleichen, auch erste Funktionsvermutungen aufstellen. In der Regel mußte bisher in der Forschung jedoch der umgekehrte Weg begangen werden. Man kennt ein bestimmtes Enzym oder man beobachtet ein interessierendes Protein, das in einem bestimmten physiologischen Zustand verstärkt oder vermindert exprimiert wird, und man möchte das betreffende Gen oder zunächst häufig die cDNA klonieren und analysieren. Ziel des Praktikums ist die exemplarische Vermittlung des experimentellen Ablaufs, wie ausgehend von einem beliebigen, isolierten Protein die zugehörige genetische Information in Form einer cDNA kloniert werden kann. Gegenstand des Praktikums wird das Enzym 2-Cystein-Peroxiredoxin der Pflanzen sein, das hochtoxische organische Lipidperoxide entgiftet.

Die Entwicklung von Pflanzen wird entscheidend durch Phytohormone gesteuert. Antagonistisch-wirkende Stoffe hemmen bzw. induzieren z.B. die Keimung, das Austreiben von Adventivwurzeln und -knospen und den Laubfall. Im Praktikum kann die Wirkung von Phytohormonen an Beispielen untersucht werden. Basierend auf klassischen Experimenten (z.B. dem Koleoptilenkrümmungstest von Went) werden Biotests zum Nachweis der Hormonwirkung, der Wechselwirkung von Hormonen und zur Quantifizierung der Hormonwirkung erarbeitet, die anschließend zum Beantworten physiologischer Fragestellungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann analysiert werden, wie ein Phytohormon in der Pflanze verteilt ist, wie sich der Hormongehalt in verschiedenen Pflanzen unterscheidet und wie sich verschiedene Hormone wechselseitig beeinflussen. Im praktikumsbegleitenden Seminar werden klassische und moderne Arbeiten zum Thema vorgestellt.

Etiolierte Pflanzen durchlaufen nach Belichtung starke strukturelle und biochemische Veränderungen, die genetisch gesteuert sind. Somit ist die Ergrünung ein Paradebeispiel pflanzlicher Entwicklungs- und Stoffwechselphysiologie, um phänotypische Änderungen mit Vorgängen auf der Protein- und Genebene kausal zu korrelieren. Das Methodenspektrum wird von der Pigmentanalyse, über Enzymaktivitätsbestimmungen, (zweidimensionale) Proteingel-elektrophorese bis hin zur Abschätzung von Transkriptmengen reichen.

Veranstaltungen zur botanischen Formenkenntnis

Seminar "Vegetation der Atlantikküste: Bretagne"
(GEORGI/DIETZ/KANDLBINDER)

Das Seminar bereitet die Exkursion "Atlantik - Bretagne" vor. Behandelt werden die Biologie und Ökologie der marinen Grün-, Rot- und Braunalgen (Makroalgen, 'Tange'), sowie ihre wirtschaftliche Bedeutung. Die weiteren Themen befassen sich mit der Geologie, der Geographie und dem Klima der Bretagne, sowie der Lebensgemeinschaft der Meeresflechten und der Vegetation von Watt, Strand und atlantischen Heiden. Mit Referaten zur älteren und neueren Geschichte und der Kultur soll ein vertieftes Verständnis für das Exkursionsgebiet vermittelt werden.

Die ca. anderthalbwöchige Exkursion in die Bretagne dient in erster Linie dem Kennenlernen der Makroalgen der atlantischen Felsküste, ihrer Verbreitung, Zonierung und wirtschaftlichen Bedeutung. Daneben werden weitere typische Lebensgemeinschaften (Meeresflechten und ihre Zonierung, Watt- und Strandvegetation, atlantische Heiden, Molluskenfauna) bearbeitet.

Praktikumsblock "Morphologie und Physiologie von Kleinpilzen"
(GEORGI)

Jeder hat (oder entwickelt) bestimmte Vorstellungen bei Begriffen wie ”Hefe”, ”Schimmel”, ”Fäule” oder auch Schleimpilze. Welche biologischen (mykologischen) Fakten verbergen sich aber dahinter? In diesem Praktikum werden verschiedene Aspekte der Biologie von ”Mikromyzeten” betrachtet: Bau und Entwicklung, Sytematik und Phylogenie, Physiologie und Nutzanwendung, Schadwirkungen und Umgang. Demgemäß werden neben der mikros-kopischen Bearbeitung einzelner Spezies und Sippen Experimente zur Physiologie und klassischen biotechnologischen Anwendung durchgeführt und in einschlägige mikrobiologische Arbeits-techniken eingeführt.