Biologie für Hauptfach II
Beschreiben Sie Pflanzen, die sich ungeschlechtlich vermehren
Viele Pflanzen vermehren sich sowohl ungeschlechtlich als auch geschlechtlich. Bei der ungeschlechtlichen Vermehrung wird ein Teil der Mutterpflanze verwendet, um eine neue Pflanze zu erzeugen. Pfropfung, Schichtung und Mikrovermehrung sind einige Methoden, die zur künstlichen ungeschlechtlichen Vermehrung verwendet werden. Die neue Pflanze ist genetisch identisch mit der Mutterpflanze, von der das Material entnommen wurde. Asexuell reproduzierende Pflanzen gedeihen gut in stabilen Umgebungen.
Lernziele
- Beschreiben Sie Merkmale von Pflanzen, die sich ungeschlechtlich vermehren
- Diskutieren Sie die Mechanismen, Vorteile, und Nachteile der natürlichen und künstlichen ungeschlechtlichen Vermehrung
- Diskutieren Sie die Lebensspanne von Pflanzen
Asexuelle Pflanzen
Viele Pflanzen sind in der Lage, sich durch ungeschlechtliche Vermehrung fortzupflanzen. Diese Methode erfordert nicht die Investitionen, die nötig sind, um eine Blüte zu produzieren, Bestäuber anzulocken oder ein Mittel zur Samenverbreitung zu finden. Bei der ungeschlechtlichen Vermehrung entstehen Pflanzen, die genetisch identisch mit der Mutterpflanze sind, da keine Vermischung von männlichen und weiblichen Gameten stattfindet. Traditionell überleben diese Pflanzen unter stabilen Umweltbedingungen besser als Pflanzen, die aus sexueller Fortpflanzung hervorgegangen sind, da sie die gleichen Gene tragen wie ihre Eltern.
Viele verschiedene Wurzelarten weisen eine ungeschlechtliche Fortpflanzung auf Abbildung 1. Die Knolle wird von Gladiolen und Knoblauch genutzt. Zwiebeln, wie die Schuppenzwiebel bei Lilien und die Tunikazwiebel bei Narzissen, sind weitere häufige Beispiele. Die Kartoffel ist eine Stammknolle, während sich die Pastinake aus einer Pfahlwurzel vermehrt. Ingwer und Iris produzieren Rhizome, während Efeu eine Adventivwurzel (eine Wurzel, die aus einem anderen Pflanzenteil als der Hauptwurzel entsteht) verwendet, und die Erdbeerpflanze hat einen Stolon, der auch Ausläufer genannt wird.
Abbildung 1. Verschiedene Arten von Stängeln ermöglichen eine ungeschlechtliche Vermehrung. (a) Die Knolle einer Knoblauchpflanze sieht ähnlich aus wie (b) eine Tulpenzwiebel, aber die Knolle ist festes Gewebe, während die Zwiebel aus Schichten modifizierter Blätter besteht, die einen unterirdischen Stiel umgeben. Sowohl Knollen als auch Zwiebeln können sich selbst vermehren und neue Pflanzen hervorbringen. (c) Ingwer bildet Massen von Stängeln, die Rhizome genannt werden und aus denen sich mehrere Pflanzen entwickeln können. (d) Kartoffelpflanzen bilden fleischige Stängelknollen. Jedes Auge in der Stängelknolle kann eine neue Pflanze hervorbringen. (e) Erdbeerpflanzen bilden Stolonen: Stängel, die an der Bodenoberfläche oder knapp unter der Erde wachsen und aus denen neue Pflanzen entstehen können. (credit a: Modifikation der Arbeit von Dwight Sipler; credit c: Modifikation der Arbeit von Albert Cahalan, USDA ARS; credit d: Modifikation der Arbeit von Richard North; credit e: Modifikation der Arbeit von Julie Magro)
Einige Pflanzen können Samen ohne Befruchtung produzieren. Entweder die Samenanlage oder ein Teil des Fruchtknotens, der von Natur aus diploid ist, lässt einen neuen Samen entstehen. Diese Art der Fortpflanzung wird als Apomixis bezeichnet.
Ein Vorteil der ungeschlechtlichen Fortpflanzung ist, dass die entstehende Pflanze schneller zur Reife gelangt. Da die neue Pflanze aus einer erwachsenen Pflanze oder Pflanzenteilen entsteht, wird sie auch robuster sein als ein Sämling. Die ungeschlechtliche Vermehrung kann durch natürliche oder künstliche (vom Menschen unterstützte) Mittel erfolgen.
Natürliche Methoden der ungeschlechtlichen Vermehrung
Natürliche Methoden der ungeschlechtlichen Vermehrung umfassen Strategien, die Pflanzen entwickelt haben, um sich selbst zu vermehren. Viele Pflanzen – wie Ingwer, Zwiebel, Gladiolen und Dahlien – wachsen aus Knospen, die an der Oberfläche des Stängels vorhanden sind. Bei einigen Pflanzen, wie z. B. der Süßkartoffel, können Adventivwurzeln oder Ausläufer neue Pflanzen hervorbringen (Abbildung 2). Bei Bryophyllum und Kalanchoe haben die Blätter kleine Knospen an ihren Rändern. Wenn diese von der Pflanze abgetrennt werden, wachsen sie zu eigenständigen Pflanzen heran; oder sie können zu eigenständigen Pflanzen heranwachsen, wenn das Blatt den Boden berührt. Einige Pflanzen können allein durch Stecklinge vermehrt werden.
Abbildung 2. Ein Stolon oder Ausläufer ist ein Stängel, der am Boden entlangläuft. An den Knoten bildet er Adventivwurzeln und Knospen, die zu einer neuen Pflanze heranwachsen.
Künstliche Methoden der ungeschlechtlichen Vermehrung
Diese Methoden werden häufig angewandt, um neue und manchmal neuartige Pflanzen entstehen zu lassen. Sie umfassen Pfropfen, Schneiden, Schichtung und Mikrovermehrung.
Pfropfen
Abbildung 3. Das Pfropfen ist eine künstliche Methode der ungeschlechtlichen Vermehrung, die verwendet wird, um Pflanzen zu erzeugen, die günstige Stammmerkmale mit günstigen Wurzeleigenschaften kombinieren. Der Stamm der zu veredelnden Pflanze wird als Edelreis bezeichnet, die Wurzel als Unterlage.
Die Pfropfung wird seit langem verwendet, um neue Sorten von Rosen, Zitrusarten und anderen Pflanzen zu erzeugen. Bei der Pfropfung werden zwei Pflanzenarten verwendet; ein Teil des Stammes der gewünschten Pflanze wird auf eine bewurzelte Pflanze, den Stock, aufgepfropft. Der Teil, der veredelt oder angepfropft wird, wird Edelreis genannt. Beide werden in einem schrägen Winkel (jeder Winkel, der kein rechter Winkel ist) geschnitten, in engen Kontakt zueinander gebracht und dann zusammengehalten Abbildung 3. Es ist äußerst wichtig, dass diese beiden Flächen so genau wie möglich zusammenpassen, da sie die Pflanze zusammenhalten werden. Die Gefäßsysteme der beiden Pflanzen wachsen und verschmelzen und bilden ein Transplantat. Nach einer gewissen Zeit beginnt das Edelreis Triebe zu bilden und schließlich Blüten und Früchte zu tragen. Das Pfropfen wird häufig im Weinbau (Traubenanbau) und in der Zitrusindustrie verwendet. Edelreiser, die in der Lage sind, eine bestimmte Fruchtsorte zu produzieren, werden auf Wurzelunterlagen mit spezifischer Krankheitsresistenz veredelt.
Schnitt
Pflanzen wie Coleus und Geldpflanze werden durch Stammstecklinge vermehrt, wobei ein Teil des Stammes, der Knoten und Internodien enthält, in feuchte Erde gelegt wird und bewurzelt werden kann. Bei einigen Arten können die Stängel bereits Wurzeln bilden, wenn sie nur in Wasser gelegt werden. Zum Beispiel wurzeln die Blätter des afrikanischen Veilchens, wenn sie mehrere Wochen lang ungestört im Wasser liegen.
Laying
Abbildung 4. Bei der Schichtung wird ein Teil des Stängels eingegraben, so dass er eine neue Pflanze bildet.
Die Schichtung ist eine Methode, bei der ein an der Pflanze befestigter Stängel umgebogen und mit Erde bedeckt wird. Bevorzugt werden junge Stämme, die sich leicht und ohne Verletzungen biegen lassen. Jasmin und Bougainvillea (Papierblume) können auf diese Weise vermehrt werden Abbildung 4.
Bei einigen Pflanzen wird eine abgewandelte Form der Schichtung, die sogenannte Luftschichtung, angewendet. Dabei wird ein Teil der Rinde oder der äußersten Abdeckung des Stängels entfernt und mit Moos bedeckt, das dann aufgeklebt wird. Manche Gärtner setzen auch Bewurzelungshormone ein. Nach einiger Zeit bilden sich Wurzeln, und dieser Teil der Pflanze kann entfernt und in einen separaten Topf verpflanzt werden.
Mikrovermehrung
Mikrovermehrung (auch Pflanzengewebekultur genannt) ist eine Methode zur Vermehrung einer großen Anzahl von Pflanzen aus einer einzigen Pflanze in kurzer Zeit unter Laborbedingungen (Abbildung 5). Diese Methode ermöglicht die Vermehrung von seltenen, gefährdeten Arten, die unter natürlichen Bedingungen schwer zu züchten sind, wirtschaftlich wichtig sind oder als krankheitsfreie Pflanzen gefragt sind.
Abbildung 5. Die Mikrovermehrung wird verwendet, um Pflanzen unter sterilen Bedingungen zu vermehren. (credit: Nikhilesh Sanyal)
Um eine pflanzliche Gewebekultur zu starten, kann ein Teil der Pflanze wie ein Stängel, ein Blatt, ein Embryo, eine Anthere oder ein Samen verwendet werden. Das Pflanzenmaterial wird mit einer Kombination von chemischen Behandlungen, die für diese Art standardisiert sind, gründlich sterilisiert. Unter sterilen Bedingungen wird das Pflanzenmaterial auf ein pflanzliches Gewebekulturmedium gelegt, das alle von der Pflanze benötigten Mineralien, Vitamine und Hormone enthält. Aus dem Pflanzenteil entsteht oft eine undifferenzierte Masse, der sogenannte Kallus, aus dem nach einiger Zeit einzelne Pflänzchen zu wachsen beginnen. Diese können abgetrennt werden und werden zunächst unter Gewächshausbedingungen gezüchtet, bevor sie ins Freiland gebracht werden.
Pflanzenlebensdauer
Abbildung 6. Die Bristlecone-Kiefer, hier im Ancient Bristlecone Pine Forest in den White Mountains in Ostkalifornien, ist seit 4.500 Jahren bekannt. (credit: Rick Goldwaser)
Die Zeitspanne vom Beginn der Entwicklung bis zum Tod einer Pflanze wird als Lebensspanne bezeichnet. Der Lebenszyklus hingegen ist die Abfolge der Stadien, die eine Pflanze von der Samenkeimung bis zur Samenproduktion der reifen Pflanze durchläuft. Manche Pflanzen, wie z. B. einjährige Pflanzen, brauchen nur wenige Wochen, um zu wachsen, Samen zu produzieren und abzusterben. Andere Pflanzen, wie z. B. die Borstenkiefer, leben tausende von Jahren. Einige Borstenkiefern haben ein dokumentiertes Alter von 4.500 Jahren (Abbildung 6). Auch wenn einige Teile einer Pflanze, wie z. B. Regionen, die meristematisches Gewebe enthalten – der Bereich des aktiven Pflanzenwachstums, der aus undifferenzierten Zellen besteht, die zur Zellteilung fähig sind – weiter wachsen, durchlaufen einige Teile den programmierten Zelltod (Apoptose). Der Kork an den Stängeln und das wasserleitende Gewebe des Xylems bestehen beispielsweise aus abgestorbenen Zellen.
Pflanzenarten, die ihren Lebenszyklus in einer Saison abschließen, werden als einjährig bezeichnet, ein Beispiel dafür ist die Ackerschmalwand (Arabidopsis). Zweijährige, wie z. B. Möhren, schließen ihren Lebenszyklus in zwei Jahreszeiten ab. In der ersten Saison einer Zweijährigen hat die Pflanze eine vegetative Phase, während sie in der nächsten Saison ihre reproduktive Phase absolviert. Kommerzielle Züchter ernten die Möhrenwurzeln nach dem ersten Jahr des Wachstums und lassen die Pflanzen nicht blühen. Mehrjährige Pflanzen, wie die Magnolie, schließen ihren Lebenszyklus in zwei oder mehr Jahren ab.
In einer anderen Klassifizierung, die auf der Blühhäufigkeit basiert, blühen monokarpische Pflanzen nur einmal in ihrem Leben; Beispiele sind Bambus und Yucca. Während der vegetativen Periode ihres Lebenszyklus (die bei manchen Bambusarten bis zu 120 Jahre dauern kann) können sich diese Pflanzen ungeschlechtlich vermehren und viel Nahrungsmaterial ansammeln, das während ihrer einmaligen Blüte und der Samenbildung nach der Befruchtung benötigt wird. Bald nach der Blüte sterben diese Pflanzen ab. Polykarpische Pflanzen bilden im Laufe ihres Lebens mehrmals Blüten. Obstbäume, wie z. B. Apfel- und Orangenbäume, sind polykarp; sie blühen jedes Jahr. Andere polykarpe Arten, wie z. B. Stauden, blühen mehrmals während ihrer Lebenszeit, aber nicht jedes Jahr. Das bedeutet, dass die Pflanze nicht jedes Jahr all ihre Nährstoffe in die Blüte stecken muss.
Wie bei allen Lebewesen spielen Genetik und Umweltbedingungen eine Rolle bei der Bestimmung der Lebenserwartung einer Pflanze. Anfälligkeit für Krankheiten, wechselnde Umweltbedingungen, Trockenheit, Kälte und Konkurrenz um Nährstoffe sind einige der Faktoren, die das Überleben einer Pflanze bestimmen. Pflanzen wachsen weiter, trotz des Vorhandenseins von abgestorbenem Gewebe wie z. B. Kork. Einzelne Teile von Pflanzen, wie Blüten und Blätter, haben unterschiedliche Überlebensraten. Bei vielen Bäumen werden die älteren Blätter gelb und fallen schließlich vom Baum ab. Der Blattfall wird durch Faktoren wie eine Abnahme der photosynthetischen Effizienz aufgrund der Beschattung durch die oberen Blätter oder durch oxidative Schäden infolge der photosynthetischen Reaktionen ausgelöst. Die Bestandteile des abzuwerfenden Teils werden von der Pflanze für die Verwendung in anderen Prozessen, wie z. B. der Entwicklung von Samen und der Lagerung, recycelt. Dieser Prozess wird als Nährstoffrecycling bezeichnet.
Das Altern einer Pflanze und alle damit verbundenen Prozesse werden als Seneszenz bezeichnet, die durch mehrere komplexe biochemische Veränderungen gekennzeichnet ist. Eines der Merkmale der Seneszenz ist der Abbau der Chloroplasten, der durch die Gelbfärbung der Blätter gekennzeichnet ist. Die Chloroplasten enthalten Komponenten der photosynthetischen Maschinerie wie Membranen und Proteine. Chloroplasten enthalten auch DNA. Die Proteine, Lipide und Nukleinsäuren werden durch spezifische Enzyme in kleinere Moleküle zerlegt und von der Pflanze wiedergewonnen, um das Wachstum anderer Pflanzengewebe zu unterstützen.
Die komplexen Wege des Nährstoffrecyclings innerhalb einer Pflanze sind nicht gut verstanden. Es ist bekannt, dass Hormone eine Rolle bei der Seneszenz spielen. Die Gabe von Cytokininen und Ethylen verzögert oder verhindert die Seneszenz; im Gegensatz dazu verursacht Abscissinsäure ein vorzeitiges Einsetzen der Seneszenz.
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