Fortpflanzung und Biotechnologie der Blütenpflanzen

• • Moose: der Gametophyt (1n) dominiert; der Sporophyt ist vom Gametophyten abhängig, wird durch ihn ernährt
  • Farne: der Sporophyt (2n) dominiert; der Gametophyt ist klein, aber photosynthetisch aktiv und selbständig
  • Samenpflanzen: der Gametophyt besteht nur noch aus wenigen Zellen; ist vom Sporophyten umschlossen und wird durch ihn ernährt
• Pollensack Meiose


  1. Pollenmitose liefert 1 generativen und 1 vegetativen Kern

  2. Pollenmitose: generativer Kern teilt sich -> ergibt 2 Spermakerne -> männliche Gametophyt
• Samenanlage im Nucellus


  1. Meiose: Megasporenmutterzelle liefert 1 Megaspore

  2. Zellularisierung: Eizelle flankiert von 2 Synergiden und 3 Antipoden, 2 Kerne bleiben frei im Embryosack (= weiblicher Gametophyt)
• Befruchtung


  1. Pollenschlauch durchwächst den Griffel zu Samenanlage, dringt an Mikropyle ein, durchwächst eine Synergide, entlässt die 2 Spermakerne

  2. Doppelte Befruchtung: diploide Zygote, triploides Endosperm
• Bestäubung (Befruchtung): Pollen hydriert k->eimt aus -> dringt in Narbengewebe ein -> durchwächst Griffel zur Mikrophyle der Samenanlage -> dringt ein und entlässt Spermakerne
• Zwitterblüten tragen sowohl Staubblätter als auch Fruchtblätter -> meiste Angiospermen

  • Erhöhte Wahrscheinlichkeit der Pollenübertragung
  • Gefahr der Selbstbefruchtung
• Mechanismen, die Selbstbefruchtung erschweren

  • Eingeschlechtliche Blüten

  §  monözisch (einhäusig): treten auf dem selben Individuum auf

  §  diözisch (zweihäusig): auf getrennten Individuen

  • Dichogamie:  Reifung der männlichen und weiblichen Organe ist zeitlich getrennt

  §  Protandrie: Vormännlichkeit; Staubblätter reifen zuerst

  §  Protogynie: Vorweiblichkeit; Narbe ist empfänglich vor der Anthese

  • Heterostylie: räumliche Trennung männlicher und weiblicher Organe
  • Selbstinkompatibilität: genetisch/biochemischer Mechanismus der es erlaubt Fremd- von Selbstpollen zu unterscheiden
• Selbstinkompatibilität (SI): Selbstpollen erkannt und abgestoßen durch Unterdrückung der Keimung und Hemmung des Wachstums -> Samenanlage wird nicht erreicht

  • Genetisch kontrolliert durch Gene am S-Locus
  • wenn S-Allel des Pollens (Gametophyt) übereinstimmt mit S-Allelen der Narbe, wird SI ausgelöst (gametophytische SI)
  • Die Gene des polymorphen S-Locus kontrollieren die Selbstinkompatibilität Gametophytische SI in Mohngewächsen, Rosen, Leguminosen … : Der Genotyp des männlichen Gametophyten bestimmt die Inkompatibilität
  • S-Locus: membranständiger Rezeptor und sekretiertes Protein (Ligand)
• Spitzenwachstum des Pollenschlauchs

  • Sehr schnell: bis zu 1cm/h
  • Vesikeltransport von Wandmaterial entlang des Zytoskeletts zur Spitze
  • Fusion mit Plasmamembran; lokale Zellwandneubildung
  • Zellinhalt verlagert sich in den Schlauch; „verlassene Bereiche“ werden durch Callose abgedichtet
• Vorteile geschlechtliche Fortpflanzung

  • schafft genetische Vielfalt in einer Population
  • Samen fördern die Verbreitung
  • Samen helfen als Dauerstadien ungünstige Bedingungen zu überdauern
• Nachteile geschlechtliche Fortpflanzung

  • Ressourcen-intensiv
  • ist mit großem Risiko und hohen Verlusten verbunden
• Natürlich vegetative Vermehrung

  • Durch Rhizome: Hauptsprossachse wächst unterirdisch; Achselknospen wachsen zu neuen Pflanzen (z.B. Ingwer)
  • Durch Stolone: Seitensprosse über- oder unterirdisch, Achselknospen wachsen zu neuen Pflanzen aus(z.B. Erdbeere)
  • Durch Knollen: Verdicktes Ende eines unterirdischen Sprosses; Die „Augen“ sind Achselknospen (z.B. Kartoffel)
  • Durch Wurzelsprosse: Vegetative Vermehrung durch Wurzelsprosse kann z.B. bei Espen zu Wäldern von Klonen führen
  • Im Brutblatt: einzelne Zellen an Blatträndern de-differenzieren, regenerieren zu ganzen Pflanzen!
• Totipotenz der Pflanzenzelle: unter geeigneten Bedingungen, kann eine einzelne, vegetative Pflanzenzelle eine vollständige Pflanze regenerieren
• Vegetative Propagation durch Zell- und Gewebekultur

  • wenn Nutzpflanzen Hybride sind, müssen Nachkommen mit identischen Eigenschaften vegetativ erzeugt werden (Zierpflanzen, Obstbäume ...)
  • Erhaltung gewünschter Merkmale
  • Regeneration aus merismatischen Zellen oder ausdifferenzierten, vegetativen Zellen
• Erzeugung genetischer Varianten

  • nicht alle Zellen einer Ausgangspflanze sind genetisch identisch (somatische Mutationen) à bei entsprechender Selektion lassen sich Somaklone mit wünschenswerten Eigenschaften erzeugen
  • Hybride von sexuell inkompatiblen Individuen zur Kombination günstiger Eigenschaften zweier Arten à somatische Hybride durch Protoplastenfusion
• Produktion pflanzlicher Inhaltsstoffe durch Zell- und Gewebekultur

  • Pflanzen enthalten eine Vielzahl pharmazeutisch wirksamer sekundärer Inhaltsstoffe (Sekundärmetabolite): Alkaloide, Phenole, Terpenoide
  • Reinigung aus Pflanzen ist oft nicht in ausreichendem Masse möglich ->  Produktion in Zellkultur
• Genetische Manipulation von Pflanzen

  • Durch künstliche Auslese, Kreuzung und Züchtung -> Domestizierung von Nutzpflanzen

  §  Chemische/physikalische Mutagenese: Mutationen sind zufällig Unerwünschte Mutationen werden durch Rückkreunzungen eliminiert

  §  CRISPR/Cas Genomeditierung: ermöglicht zielgerichtete Mutagenese; fehlerhafte Reparatur führt zu Mutation an gewünschter Stelle

  =>Züchtung zielt auf Verbesserung der Eigenschaften wie Ertrag, Nährwert, Krankheitsresistenz, Widerstandsfähigkeit ... Dabei kommen nur nahe verwandte Arten als Quelle für das genetische Material in Frage
• Genetische Manipulation von Pflanzen

  Durch Gentechnik: Erzeugung transgener Pflanzen durch Einbringen zusätzlichen genetischen Materials

  • Durch direkten DNA-Transfer (Partikelbeschuss): beladene Partikel werden in das zu transformierende Gewebe geschossen
  • Mit Hilfe von Vektoren (Agrobacterium): Tumorgene des Bakteriums werden durch gewünschte DNA ersetzt