Der Einfluss des abiotischen Faktors Licht auf die Entwicklung von Pflanzen unter Berücksichtigung von Phytohormonen


  • 1. Einleitung

  • 2. Grundlagen
    • 2.1 Gartenbohne: Phaseolus Vulgaris: Schmetterlingsblütengewächs
    • 2.2 Hormone
      • 2.2.1 Auxine: Indol-3-essigsäure
      • 2.2.2 Cytokinine
      • 2.2.3 Abscisinsäure
      • 2.2.4 Gibberelline
      • 2.2.5 Ethylen

  • 3. Phototropismus

  • 4. Experiment
    • 4.1 Versuch, Teil 1
    • 4.2 Versuch, Teil 2

  • 5. Ergebnis

1. Einleitung

Diese Facharbeit beschäftigt sich mit dem Thema: " Der Einfluss des abiotischen Faktors Licht auf die Entwicklung von Pflanzen unter besonderer Berücksichtigung von Phytohormonen ". Zu Hause kann jeder beobachten, dass die Zimmerpflanze auf der Fensterbank zum Licht hin wächst. Dreht man die Pflanze um, orientiert sich ihr Wachstum nach einer kurzen Zeit wieder zum Licht. Das heißt, dass jede einzelne Pflanze eine Anpassung an seinen Lebensraum aufweist. Darüber hinaus hängt auch die charakteristische Formbildung, das genetisch gesteuerte Wachstum, Differenzierung, die Entwicklung und Fortpflanzung mit dem Lebensraum zusammen. Setzt man zum Beispiel die Pflanze unter Dauerlicht, produziert es ununterbrochen Sauerstoff. Die Pflanzen können gut gedeihen, sehen gut aus und sind gesund. Im Gegensatz dazu kann die Pflanze bei wenig Licht nicht prächtig blühen. Es sieht krank und zerbrechlich aus. Jeder behauptet, dass die pflanzlichen Lebewesen zum Licht wachsen um einen optimierten Platz an der Sonne zu erlangen, da sie für die Photosynthese viel Licht brauchen. Die Frage wäre dann, ob diese Behauptung überhaupt stimmt. Außerdem sollen Pflanzen auf Umweltfaktoren und -reize reagieren. Folge dessen sollen sie auch Krümmungsbewegungen zum seitlich einfallenden Licht ausüben können. In dieser Facharbeit werden diese Behauptungen durch eine experimentelle Reihe untersucht, beobachtet und analysiert. Wieso entstehen diese Phänomene und wie werden sie ausgelöst? Was passiert da eigentlich in der Pflanze? Um diese Fragen zu beantworten wird eine experimentelle Reihe mit Bohnen aufgebaut, die nur eine seitlich einfallende Lichtquelle besitzt. Nach den Behauptungen müsste sich die Bohne zum Licht krümmen. Um diese Reaktion erklären zu können werden die Phytohormone analysiert. Aber als Grundlage werden die Bohnen als Schlingpflanze beschrieben. Was sind denn die Bohnen für Pflanzen und welche Eigenschaften weisen sie auf? Danach wird das Wachstum der Bohnen und Schlingpflanzen im Allgemeinen erklärt. Folge dessen werden die Phytohormone aufgegriffen. Später wird die Reaktion der Pflanze auf den Faktor Licht als Phototropismus beschrieben. Nach den Grundlagen wird das Experiment bearbeitet und analysiert, sodass man mit den Grundlagen und dem Experiment zu einem Ergebnis kommen kann.

2. Grundlagen

2.1. Gartenbohne: Phaseolus Vulgaris; Schmetterlingsblütengewächs
Die Gartenbohne stammt ursprünglich aus Südamerika und ist heutzutage weltweit bekannt. Sie gehört zu der Familie des Schmetterlingsblütengewächses. Man unterscheidet die Gartenbohne als Stangen- und Buschbohnen. Derzeit sind 57 Arten der Buschbohnen und 39 Arten der Stangenbohnen bekannt. Die Gartenbohne ist eine Kletterpflanze (Schling- oder auch Wendepflanze genannt), die bis zur 7 Meter lang werden kann. Beim Wachstum durchführt sie Kreisende Bewegungen und umwickelt dabei jede angebotene Kletterhilfe. Sie gewinnt durch Einrasten ihrer feinen Hakenhaare an der Unterlage genug halt. Da die Bohne eine Schlingpflanze ist bedeutet das, dass sie wenig Energie in die Entwicklung eines von selbsttragfähigen, stabilen Stängel investiert und soviel schneller als nicht Schlingpflanzen wächst. Außerdem hat man festgestellt, dass die Windung der Bohnenpflanze beim Längewachstum gegen den Uhrzeigersinn erfolgt. Die Sprossachse der Bohnen besitzen ca. 10 bis 20 cm lange grüne Hülsen in denen sich weiße Bohnen befinden. "Die Blätter der Phaseolus Vulgaris haben lange Stiele und bestehen aus 3 eiförmige, vorn zugespitzte Einzelblättchen" . Die Bedingungen für den Anbau dieser Kletterpflanzen sind sonnige, Wind geschützte flache Gartenanlagen mit hummusreichen Boden, der möglichst wenig gedüngt werden sollte.

Außerdem können diese Pflanzen keinen frost ertragen, was bedeutet das diese Kletterpflanzen jedes Jahr neu angebaut werden müssen. Zudem kann die Bohne keinen schatten oder zuviel Feuchtigkeit ertragen. Als Eigenschaft weist diese Pflanze hohe Giftige Eiweißverbindungen die sogenannten Toxalbumine, dessen Wirkstoff das Phasin ist. Dies bezüglich ist der Rohe verzehr der Bohnen strengstens untersagt. Schon 3 bis 10 Rohe Bohnen zeigen die Symptome der Vergiftung innerhalb von 30 bis 90 Minuten auf. Diese Symptome sind zum Beispiel schwere Erbrechen, starke Verdauungsstörungen, Krämpfe, blutige Magen-und Darmentzündungen mit Durchfällen und Fieber, welches auch zur Kollaps führen kann. Die Gefahr der Vergiftung gilt nicht nur für Menschen sondern auch für Tiere wie Pferde, Rinder und Kühe. Trotz alldem ist die Bohne ein beliebtes Gemüse in der Küche. Denn bei einer Erhitzung von 90 Grad der Bohnen zerfallen die giftigen Proteinbindungen in ungefährliche Eiweiße. Ihr hoher Eiweißgehalt ist mit dem des Fleisches zu vergleichen. Da 100 Gramm Bohnen 22 Gramm Eiweiß enthalten und Fleisch nur 20 Gramm. Zusätzlich werden Bohnen in der Medizin benutzt. "Denn die Bohnenhülsen sind reich an Aminosäuren und Mineralstoffe und werden deshalb gezielt als blutzucker senkende und harntreibende Nahrungsergänzung eingesetzt" . Zudem sind sie auch als Blasen und Nieren Tee zu erhalten.

2.2. Hormone

Hormone sind chemische Substanzen, "die in winzigen Mengen in einem bestimmten Teil des Organismus gebildet werden" . "Sie sind sowohl für die Koordination von Stoffwechsel- und Entwicklungsprozessen als auch für die Übermittlung von Umweltreizen zuständig" . Pytohormone werden in 11 Klassen eingeteilt: 1.Auxine, 2.Gibberelline, 3.Cytokinine, 4.Abscinsäure, 5. Ethylen, 6.Brassinosteroide, 7.Salicylsäure, 8.Jasmonate, 9.Systemin, 10.Strogolactone und 11. Florigen . Diese Facharbeit spezialisiert sich auf die ersten fünf Hormone.

Phytohormone sind Botenstoffe, die nur in bestimmten Geweben oder Organen der Pflanzen gebildet werden und haben steuernde Wirkungen im Bezug auf die Stoffwechselaktivitäten. Sie sind aktivierend durch die Bindung an einem Hormonreceptor in den Zellen des Zielgewebes und lösen eine oder mehrere Signale aus. Diese zu Bestimmten Hormon Wirkungen führen, wie zum Beispiel zum öffnen von Ionenkanälen oder zur Aktivierung beziehungsweise Innaktivierung der Transkription bestimmter Gene.

Unterschied: Phytohormone und Tierische Hormone
Tierische Hormone besitzen eindeutige spezielle Organe und Gewebe als klar abgrenzenden Syntheseort. Und von dort aus gelangen sie in ihre Wirkungsorte. "Diese deutliche Trennung zwischen Bildungs- und Wirkungsort ist bei pflanzlichen Hormonen weniger ausgeprägt" . Als Bildungsort für Phytohormone können verschiedene Pflanzenorgane agieren. So kann zum Beispiel Auxine im jungen Blattgewebe und Sprossvegetationkegel gebildet werden. Für Giberelline sind das Endosperm unreifer Samen, Embryonen, Blattanlagen, junge Blätter, Wurzelspitzen und sogar Pollenkörner als Syntheseorte zuständig. Die Ethenbildung findet im keimenden Samen, in Blättern, Knollen, Wurzeln, Blüte und Sprossachse statt. Ethen übt seine Botenfunktion als ein gasförmiges Hormon nur über relativ kurze Distanzen in der Pflanze selbst, wie zum Beispiel die der Steuerung des Laubabwurfs bei einer Pflanze. "Aber es kann als gasförmiges Molekül seine Wirksamkeit sowohl zwischen einzelnen Pflanzen und Pflanzenteile verschiedener Arten entfalten" . Der einzige Unterschied zwischen tierischen und pflanzlichen Hormonen liegt nicht nur bei der Trennung des Syntheseortes, sondern auch bei der Transporteigenschaft der Hormone. Hormone der Tiere und der Menschen werden über ihre Blutbahn weitergeleitet, während die Phytohormone von Zelle zu Zelle, durch Assimilation- und Tranpirationsstrom weitergeleitet werden. Ein weiterer Unterschied ist, dass Phytohormone nicht nur auf ein einziges Organ eine Wirkung ausüben. Das heißt, dass ein und dasselbe Hormon durchaus mehrere Funktionen in der Pflanze auslösen kann. Ein Beispiel für so ein Phänomen wäre die Wirkung von Auxin. Einerseits ist sie für das Streckungswachstum von Koleoptilsegmenten zuständig andererseits aber auch für die Bildung von Adventivwurzeln. Außerdem können Phytohormone nicht nur stimulierend, sondern auch hemmend wirken.

Beeinflussen Phytohormone Entwicklungsvorgänge?
Pytohormone spielen eine wichtige Rolle bei Entwicklungsvorgängen der Zellen. " Diesen Vorgang nennt man Determination" . Hierbei werden bestimmte Gene im Zellkern "abgerufen" und/oder "Stillgelegt" . Dieses Phänomen trägt dazu bei, dass noch nicht ausgereifte Zellen zu einer Epidermis oder Phloemzelle wird. Determinationen können durch innere aber auch durch äußere Faktoren ausgelöst werden. Außerdem sollen Phytohormone beim sekundären Dickenwachstum einen direkten Einfluss auf die Determination ausüben. Dabei soll zum Beispiel Gibberelline die Phloembildung beisteuern und Auxin die Xylembildung (Holzteil), zudem können auch ganze Organe statt Einzelzellen von Hormonen beeinflusst werden. Hierzu wurde als Experiment eine Pflanze mit dem Rostpilz Uromycecpisi infiziert. Die infizierte Pflanze zeigt einen erhöhten Auxin- und Gibberellingehalt an, als nicht infizierte. Dies war die Antwort auf die Gestaltsabweichungen in Form von Gallen.

Besteht ein Zusammenspiel zwischen Phyohormonen?
Durch die Interaktion von zwei oder mehreren Phytohormonen werden entwicklungsbiologische Prozesse in der Pflanze aktiviert . "So konnte beispielsweise bei der Gartenerbse gezeigt werden, dass durch das Zusammenspiel von Auxin und Ethylen zumindest Teilweise die Entwicklung von Zellform und Zellgröße gesteuert wird" . Aber natürlich sind auch noch zusätzlich andere Hormone bei diesem Vorgang beteiligt, die aber nicht so eine wichtige Rolle dabei spielen.

Spielen Phytohormone auch eine Rolle bei den Wechselbeziehungen (Korrelationen) zwischen einzelnen Pflanzenteilen?
Entwicklungsbiologische Vorgänge wie das Wachstum der Früchte oder die Keimung der Samen der Pflanzen unterliegen korrelativen Steuerungsvorgängen . Das heißt, dass sich einzelne Pflanzenteile zum Beispiel durch die Abgabe von Pytohormonen beeinflussen. Um eine Korrelation zu veranschaulichen sollte man sich ein Beispiel angucken. Denn wenn man einer Erdbeere die Nüsse entfernt, wächst nur eine kurze dicke Scheinfrucht heran. Aber wenn man diese Stellen mit Auxin haltigen Stoffen präpariert, normalisiert sich das Wachstum wieder. Ein anderes Beispiel wäre, dass die Gibberellin Zugabe bei Lichtkeimenden Pflanzen, die Keimung im Dunkeln ermöglicht. Außerdem sind auch korrelative Hemmungen bekannt. Dieser Vorgang liegt bei Gipfelknospen vor, die ein bevorzugtes Wachstum aufweisen. Das Wachstum der Gipfelknospen wird durch die Auxinsynthese ermöglicht, welche das Austreiben der Seitenknospen unterdrückt. Aber wenn man die Seitenknospen Kinetin zuführt, fördert dass das Wachstum der Seitenknospen. Also wirken Cytokinine der Auxinsynthese entgegen.

Ändert sich der Hormonhauhalt mit dem Alter der Pflanzen?
Durch die Weiterentwicklung der Pflanzen in den folgenden Jahren kommt es zur Veränderungen bei den Hormonhaushalten . " So geht mit einer Abnahme des Gehalts an Gibberellinen bei vielen Pflanzen eine Zunahme von Hemmstoffen der Abscisin-Gruppen einher" . Dessen Auswirkungen betreffen die Blütenbildung der Pflanzen. So hat man herausgefunden dass Langtagpflanze Temultem und Kurztagpflanze Pernilla eine höhere Empfindlichkeit gegenüber dem Licht Reizen zeigen, wenn ihre Blätter jung sind. Aus diesem Ergebnis und anderem Experimenten folgert man, dass alterungs- bedingte Verschiebungen des Hormongleichgewichts stattfinden.

2.2.1. Auxine: Indol-3-essigsäure (indol-3-acetic acid, IAA)

Auxin ist einer der am längsten bekanntesten Pytohormone . Sie wurde 1928 von dem holländischen Botaniker F. W. Went entdeckt. Der Holländer entdeckte Auxin, indem er abgeschnittene Spitzen von Koleoptilen auf dekapierte Koleoptilen setze. "Das aus den Koleoptilspitzen in den Agar diffundierte Hormon bewirkte bei den Koleoptilstümpfen Wachstumskrümmungen" (ausführliche Erklärung im Kapitel Phototropismus). Dies bewies, dass die abgeschnittenen Spitzen von Koleoptilen einen Stoff bildeten, die das Wachstum der Gewebe förderte. Auxine werden hauptsächlich in jungen Blättern und teilungsaktiven meristematischen Geweben produziert und spielen eine große Rolle bei vielen Prozessen der Pflanzenentwicklung. Zusätzlich wird durch Auxin die Polarität der Wurzel-Spross-Achse beeinflusst. IAA ist auch unter dem Namen " Wachstumsregulator" bekannt, da man heraus gefunden hat, dass IAA auch beim Wachstum der Pflanze beteiligt ist und so zu Krümmungen in den Pflanzen zum Licht auslöst. "Der Transport von Auxin kann polar oder nicht polar erfolgen. Beim polaren Transport wird Auxin an Transport-Proteine gebunden". In Spross wie Wurzel erfolgt der Polare Auxintransport immer basipetal, das heißt von der Sprossspitze und den Blättern in die Sprossachse und von dort Wurzelspitze zur Basis der Wurzel (Wurzel-Sprossübergang)" . Beim nicht polaren Transport kann die Pflanze, Auxin über große Distanzen im Phloem transportieren. Man hat herausgestellt, dass das Größte in den ausgewachsenen Blättern synthetisierte Auxin nicht polar transportiert wird und dass auch der allgemeine Transport zur Mehrheit nicht polar stattfindet. "Bei Pflanzen die ein sekundäres Dickenwachstum zeigen, wird Auxin in das Vaskuläre Kambium transportiert" .

Sind Auxine und Cytokinine in der Zelle im Gleichgewicht, wird aus undifferenziertem Kallus meistematisches Wachstum. Bei mutierten Pflanzenzellen, bei denen keine Auxine mehr gebildet werden, werden Sprosse gebildet. Wenn umgekehrt die Gene für die Cytokininsynthese fehlen, werden aus dem Kallus Wurzeln produziert. Die IAA hat verschiedene Wirkungen. Bei niedrigen Konzentrationen wird das Streckungswachstum von Spross und Sprossteilen gefördert und hemmt andererseits das Längenwachstum von Wurzeln. Das Hormon ist unter anderem auch für die Hemmung von Achselknospen, den Laub-und Fruchtfall sowie für die Auslösung der Bildung von Adventivwurzeln erforderlich. Durch zahlreiche Experimente (ein Beispiel gibt es später im Kapitel Phototropismus) hat man herausgefunden das Auxin auch beim Krümmungsverhalten der Pflanzen eine wichtige Rolle spielt.

2.2.2. Cytokinine

Cytokinine wurde 1964 entdeckt und nach ihrer Eigenschaft, die Zellteilung benannt. Heutzutage ist Cytokinine als natürlich vorkommender aber auch als künstlich hergestellter Stoff vorhanden . Das erste natürliche Cytokinin wurde Zeatin genannt, da es in unreifen Maiskörnern entdeckt wurde. Dann gibt es viele künstlich hergestellte Cytokinine wie Kinetin oder Benzyladenin. Cytokinin wird am meisten an den Wurzeln produziert und über "Xylem von der Wurzel in den Spross transportiert" . Cytokinin agiert als Induktion der Blütenbildung bei einzelnen Kurz- und Langtagpflanzen, bei der Aufhebung von Ruhezuständen in den Dauerorganen (Früchte, Samen) und bei der Erhöhung der Stressresistenz. Außerdem wird Cytokinin für die Hemmung von Altersvorgängen in den Blättern bei gärtnerischer Praxis benutzt. Es dient auch zur Verhinderung von Chlorophyllverlust in isolierten Blättern. Das Phytohormon wirkt als gegen Spieler von Auxin aber ist auch streng an ihre Anwesenheit gebunden. Während IAA das Wachstum von seitlichen Knospen hemmt, fördert Cytonine die Aufhebung der Hemmung von Seitenknospen.

2.2.3. Abscisinsäure (abscisic acid, ABA)

Abscisinsäure ist ein Pytohormon mit einem Hemmstoffcharakter . Dieses Hormon wird im Cytoplasma synthetisiert. Folge dessen befindet sich ABA von der Wurzelspitze bis zur Sprossspitze in allen Geweben der Pflanzen. Abscinsäure wird durch Xylem und Phloem transportiert. Zusätzlich wurde auch festgestellt, dass im Phloem eine höhere Konzentration von ABA vorhanden ist. "ABA wird in Wurzeln als Antwort auf Wasserstress gebildet und wird durch Xylem zu den Blättern transportiert, wo es zur Schließung von Stroma kommen kann" . Bei der frühen Entwicklung der Pflanze wird die Konzentration des Hormons gesteigert, um die vorzeitige Keimung zu verhindern. "Bei manchen Pflanzenarten (z.B. Apfel) bewirkt die Einwirkung niedriger Temperatur auf den Samen eine Verringerung der ABA Produktion und fördert damit die Keimung" . Der Hemmstoffcharakter der Abscinsäure kann durch die Phytohormone Gibberelline oder Cytokinine aufgehoben werden. Diese Hemmstoffwirkung kann durchaus nutzvoll sein, da zum Beispiel bei der Tomate dieser Stoff im Fruchtfleisch enthalten ist, verhindert es die frühzeitige Keimung der Tomate bei kalten Wetterverhältnissen.

2.2.4. Gibberelline (GA)

Gibberelline wurde 1926 in Japan entdeckt. Sie wurde nach dem Pilz Gibberella fuikuroi benannt, der eine Substanz enthält die das Längenwachstum von Reispflanzen steigert . Heute sind schon über 125 GAs bekannt von denen nur wenig aktiv sind. Die Syntheseorte für Gibberelline sind Spross und Wurzelmeristeme, unreifer Samen, Früchte, Pollenkörner und junge Blätter. "GAs die im Spross synthetisiert werden können in Phloem durch die Pflanze transportiert werden" . Das Hormon fördert das Längenwachstum und die Zellteilungsaktivität. Indem man manche Pflanzen mit Gibberelline infiziert kann man zum Beispiel das genetisch bedingte Zwergenwachstum bei Erbsenvarietäten verhindern. Auch defekte wie nicht keimfähige Samen, können durch die Induktion von GA beseitigt werden. Bei Forschungen an Tabak und Erbsen hat man herausgefunden, dass IAA aus der Apikal Knospe für eine normale GA Biosynthese benutzt wird. Das Streckungswachstum der durch Gibberelline ausgelöst wird, wird durch eine Erhöhung des Auxinstoffes unterstützt. GAs sind für viele Entwicklungsprozesse zuständig und kontrollieren sie auch. "Sie sind wichtig für die Wurzelstreckung von Erbsen, für die Samenentwicklung und für das Pollenschlauchwachstum" . Bei Samenpflanzen kann Gibberellin, die äußeren Faktoren wie Kälte und Licht ersetzen und die Samenkeimung in ihrer Abwesenheit erlauben. In Getreidekörnern reguliert es den Stärkeabbau im Endosperm.

Außerdem werden Hemmstoffe der Gibberellinsynthese, zum Beispiel CCC (chlorcholinchlorid), in der Landwirtschaft als Bioregulator eingesetzt, um das Längenwachstum von Getreidehalmen zu verringern. Dies soll zum Schutz von Windbrüchen dienen. Unter anderen wird Gibberellin beim Anbau von Samenlosen Rebsorten benutzt. Denn durch den Einfluss von GA kann die Beerengröße auf das Zwei bis dreifache gesteigert werden. "Prunus - Arten (z.B. Kirsche, Pflanzen) Kann durch GA zufuhr eine Entwicklung von Früchten ohne vorhergegangene Befruchtung aufgelöst werden, nicht aber durch Auxinzufuhr".

2.2.5. Ethylen

"Ethylen ist ein einfaches Kohlenstoffwasserstoff-Molekül (H2C=CH2) und kann nahezu von allen Teilen einer Samenpflanze produziert werden. Als Gas kann es sich vom Syntheseort fortbewegen" . Eine weitere Eigenschaft von Ethylen ist, dass seine Wirkung auch auf eine Nachbarpflanze übertragen werden kann . Also ist Ethen nicht nur ein Hormon sondern auch ein Pheromon, das heißt es kann als Botenstoff zwischen verschiedenen Pflanzen dienen. Ethylen spielt eine Rolle bei dem Laubabwurf aber auch bei der Reifung von Früchten. Außerdem kann Ethylen zur Hemmung von Spross und Wurzelstreckung dienen, zum Auslösen der Blattbildung und zur Aufhebung von Ruhezuständen wirken. Die Sprossspitze von Keimlingen sind wichtige Orte für die Ethylenbiosynthese, ebenso die Knoten der Biosynthese, die mehr Ethylen produzieren als die Internodien. Durch den Einfluss von abiotischen oder auch biotischen wie Krankheiten, kann sich die Konzentration von Ethylen erhöhen. Ethylen und Auxin haben einen engen Zusammenhang. Die beiden Hormone Handeln gegensätzlich. Als Gegenspieler von Auxin, beschleunigt Ethylen den Blattfall, während Auxin es verlangsamt.

3. Phototropismus

Die Reaktion der Pflanzen auf Licht und die Beeinflussung des Wachstums durch Licht wird als Phototropismus gekennzeichnet . Die Wurzel eines Keimlings reagiert sehr empfindlich gegenüber der Erdanziehungskraft, sodass es den Boden durchdringt und nach unten wächst. Denn die Aufgabe der Wurzel ist es dort Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Im Gegensatz zu den Wurzeln orientiert sich die Sprossachse der Pflanze gegen die Gravitationskraft der Erde. Denn sie richtet sich, bei ihrem Längenwachstum zum Licht aus. Da die Chloroplasten in den Zellen für eine effiziente Photosynthese genügend Licht benötigen. Außerdem muss das Wachstum der Sprossachse nicht immer senkrecht nach oben sein, sondern kann situationsabhängig in einer Krümmung bestehen zum Beispiel durch einen Seitenlicht (Vgl. Versuch Tei2).

Hierbei spricht man von einer positiven phototropen Sprossachse. Da sich das Wachstum von einer Reaktionskaskade in ein Flankenwachstum umsetzt. In den meisten Fällen reagieren die Wurzeln der Pflanzen auf das Seitenlicht nicht oder sind Teilweise negativ phototrop, d.h. dass sie gegen das Licht wachsen.

Die Antwort auf das ganze Phänomen ist eigentlich relativ simple. Die positiv phototrope Reaktion der Pflanze liegt daran, dass sie auf Licht als Energielieferant für die Photosynthese angewiesen ist. In Folge dessen befinden sich in der Pflanze bestimmte Mechanismen und Hormone, die dazu führen, dass die Pflanzen sich zum Licht Krümmen kann. Die Wahrnehmung des Lichtreizes erfolgt durch bestimmte Photorezeptoren in der Sprossachsenspitze, dort wo das Wachstum am intensivsten ist. Als Photorezeptoren fungieren hauptsächlich die Pigmente Phytochrom und Phototropin, das höchstempfindlich auf blaues Licht reagiert. Phytochrom ist ein rotes Licht absorbierendes Pigment, die bei den meisten Pflanzen wirkungslos ist. Aber bei Farnprothallien hingegen verursacht rotes Licht erst eine phototrope Reaktion. Zusätzlich hat man durch viele Versuche festgestellt, dass rotes Licht bei vielen Pflanzen als stimulierender Faktor beteiligt ist. Denn Pflanzen die im dunkeln Keimen reagieren meistens schwach auf einseitiges Blaulicht. Aber werden diese Pflanzen vorher mit Rotlicht bestrahlt, erhöht dies die Reaktion auf das einseitige Blaulicht. "Phytochrom verstärkt also die phototropische Reaktionsfähigkeit, ohne selbst phototropisch Wirksam zu sein" . Um aber eine phototropische Reaktion auszulösen ist eine Mindestlichtmenge nötig. "Zudem hat sich auch gezeigt, dass die Steigerung der Lichtenergie keineswegs nur zu einer Erhöhung der Phototropen Reaktion sogar unterdrücken kann. Bei fortgesetzter Steigerung hingegen erfolgt erneut eine positive Reaktion, die ein neues Maximum durchläuft, um wieder abzufallen und dann wieder zu steigen" . Durch die Photomodulation kann die Pflanze die Einfallsrichtung des Lichtes erkennen und verändert seine Wuchsrichtung zum Licht. " Diese Bewegung wird über Turgoränderung in den Zellen der Blätter und Blütenstiele ermöglicht" . Während sich die Sprossachse sich zum Licht krümmt, stellen die Primärblätter ihre Spreitenfläche senkrecht zum Licht. Um herauszufinden welche Hormone sich beim Phototropismus beteiligen hat man verschiedene Experimente durchgeführt. Zum Beispiel kann man die Spitze einer Koleoptil abschneiden und auf einen Agarblock setzen. Folge dessen diffundiert das in der spitze gebildete Auxin in den Agarblock. Trennt man die lichtzugewandte Seite von der lichtabgewandten Seite, erhält man so in dem lichtabgewandten mehr Auxin. Der dekapitierte Koleoptilstumpf zeigt keine Wachstumsreaktion setzt man diese beiden Agarblöcke auf zwei Koleoptilstümpfe, wachsen diese wieder und zeigen sie eine unterschiedlich starke Krümmungen von der Seite mit dem Agarblock weg. Also spielt Auxin beim Wachstum und der Krümmung der Pflanze eine wichtige Rolle. " Die Phototropische Krümmungsreaktion beruht nicht wie früher angenommen auf eine Wachstumshemmung auf der lichtabgewandten Seite der Sprossachse, sondern auf eine Umverteilung des Wachstums von dem Licht zur Schattenseite" . Denn das seitlich treffende Licht verschiebt in der Organspitze die basipetalen Auxinstroms. Dies führt zur einen erhöhten Auxin Konzentration in der Schattenseite als in der Lichtflanke.

4. Experiment

4.1. Versuch: Teil 1
Versuch Teil 1: Experiment zur Entwicklungsbiologie der Pflanzen
Materialien: 2 Töpfe, weiße Bohnen (Gartenbohnen), Erde, Wasser

Beschreibung/ Durchführung:
Für das Experiment zur Entwicklungsbiologie der Pflanzen (Bohnen) unter dem Einfluss des abiotischen Faktors Licht werden 2 Töpfe mit Erde befüllt. In den ersten, kleineren, Topf werden 2 Bohnen geerntet und in den 2. Topf 5 Bohnen. Nachdem die Bohnen eingepflanzt werden, werden sie mit Wasser gegossen. Dann wird erstmals gewartet, bis die Keimlinge etwas wachsen. Damit anschließend die gewachsenen Bohnen in einem Karton mit einem Loch gesteckt werden. Anschließend wird geguckt, ob die Pflanzen in Richtung des Lichtes wachsen(Versuch Teil 2). Das heißt, dass nur aus diesem Loch Licht auf die Bohnen fallen wird. Die Bohnen werden regelmäßig gegossen. Außerdem wird der größere Topf mit einem Deckel gedeckt, um das Wachstum zu beschleunigen.

Beobachtung:
Nach fünf Tagen sieht man in dem größeren durchsichtigen Topf, dass einer der Bohnen Wurzeln bekommen hat (siehe Foto 1). Im Laufe der Tage kann man beobachten, dass in dem größeren Topf zwei Bohnen wachsen. Nach 9 Tagen ist die erste Bohne ca. auf 10 cm gewachsen, der andere Keimling schiebt noch seine Sprossachse mit einer hakenförmigen Krümmung aus der Erde( siehe Foto 2 u.3). In dem kleineren Topf kann man auch nach neun Tagen nichts beobachten. Am zehnten Tag ist die erste Bohne auf ca. 14 cm gewachsen. Das heißt sie ist ungefähr innerhalb von ca. 24 Stunden um 4 cm gewachsen. Auch am zehnten Tag kann man in dem kleineren Topf nichts erkennen. Nach ca. 24 Stunden wahrscheinlich auch weniger ist die erste Bohne von 14 auf 16 cm gewachsen. Die zweite Bohne die eine Hakenförmige Krümmung hatte, hat sich aufgerichtet. Man kann eine Größe von ungefähr 8 cm messen. Am elften Tag kann man eine dritte Bohne aus der Erde wachsen sehen (siehe Foto 4 u. 5). Endlich kann man auch in dem kleineren Topf eine Bohne blühen beobachten (siehe Foto 6). Tag zwölf: Die 16 cm lange Bohne ist ca. wieder um 2 cm länger geworden, also auf 18 cm. Die 8 cm Bohne ist auf 10 cm gewachsen. Die dritte Bohne hat sich aufgerichtet und ist ca. 7 cm lang (siehe Foto 7). Im kleineren Topf ist die Bohne immer noch in einer gebeugten Form in der Erde. Nach dreizehn Tagen ist die erste Pflanze auf 21 cm gewachsen, die zweite auf ca. 15 cm und die dritte auf 12 cm. Im kleineren Topf ist die erste Bohne ca. 3 cm und man kann einen 2. Erkennen (siehe Foto 8).

Ergebnis:
Nach meinen Beobachtungen und Messungen sind die Bohnen in dem größeren Topf viel schneller, als die Bohnen im kleineren Topf gewachsen. Dies liegt anscheinend daran, dass auf dem größeren Topf ein Deckel war, dass für genug wärme und Feuchtigkeit gesorgt hat. Die Bohnen in dem kleineren Topf haben ca. elf Tage länger gebraucht um wenigstens die Sprossachse aus der Erde zu schieben.

4.2. Versuch: Teil 2
Versuch Teil 2: Experiment zur Entwicklungsbiologie der Pflanzen unter dem Einfluss des Lichtes
Materialien: 2 Töpfe mit Bohnen (aus dem ersten Versuch), Karton

Beschreibung:
Nachdem der erste Versuchsteil erfolgreich abgeschlossen wurde, wird jetzt der größere Topf mit dem gewachsenen Bohnen ins Dunkle getan, um zu beobachten wie überhaupt die Pflanze ohne Licht reagiert. Danach werden die Bohnen in einem Karton mit einem ca. 4 mal 8cm groß geschnittenes Fenster getan (siehe Foto 9). Das ganze wird vor dem Fenster gestellt, sodass durch die 4 mal 8cm Fenster Licht in den Karton fallen kann. Durch diesen letzen Teil des Experimentes will ich beweisen das Pflanzen zum Licht wachsen. Zusätzlich wird auch als ein Hindernis eine Pappschachtel in das Karton gelegt, um zu sehen ob die Bohnen aufhören zu wachsen oder ob sie trotz des Hindernisses zum Licht wachsen.

Durchführung 1:
Tag 14: Der größere Topf mit den drei gewachsenen Bohnen (1. Bohne 21cm, 2,Bohne 15cm, 3.Bohne 12cm) ins Dunkle gestellt.

Beobachtung 1:
Nach 24 Stunden im Dunkeln kann man beobachten, dass die kleinere Bohne langsam an Farbe verliert und heller wird, im Gegensatz zu den anderen beiden. Die Blätter der Bohnen sehen eher trocken und nicht mehr frisch aus (siehe Foto 10). Der kleinere Topf ist immer noch im Licht, da die Bohnen in diesem Topf immer noch sehr klein sind. Die erste Bohne ist in diesem Topf auf 6 cm von 3 cm gewachsen. Man kann erkennen, dass die zweite Bohne auch ein kleines bisschen weiter gewachsen ist, aber sie behält immer noch seine gebeugte Form. Nachdem die Bohne im großen Topf zwei Tage kein Licht bekommen haben ist die erste Bohne auf ca. 28 cm gewachsen, die zweite auf 23 und die dritte auf 21 cm. Außerdem kann man zwei neue blühende Bohnen erkennen, die aber ihre typische hakenförmige Form besitzen. Was auch noch auffällig ist, ist das die zwei Keimlinge eine sehr helle grünlich/gelbliche Farbe aufweisen im Gegensatz zu den anderen im Topf die im Licht gewachsen sind (sehe Foto 11 u. 12). Es sieht so aus als ob das Wachstum der Pflanzen sich ein wenig beschleunigt hätte. Denn unter dem Licht sind sie täglich um ca. 2 cm gewachsen im Dunkeln sind sie ca. um 3-5cm gewachsen. Zudem werden die in der Dunkelheit gelassenen Pflanzen blasser, gelblicher, wirken alt, trocken und die Sprossachse wird dünner (siehe Foto 13). Dazu entwickeln sich die neu einsetzenden Blätter kaum, das heißt, dass sie unterentwickelt sind (siehe Foto 14). Die Bohnen im kleineren Topf die im Licht waren sind auf 8 und 5 cm gewachsen. Folge dessen, kann man sagen, dass die Keimlinge unter dem Licht sich zur arttypisch normal aussehenden grünen Individuen entwickeln.

Durchführung 2:
Nachdem ich beobachtet habe wie die Bohnen auf die Dunkelheit reagieren, werden sie jetzt in das Karton gestellt, auch die im kleineren Topf.

Beobachtung 2:
Nach einem Tag im Karton sieht man eine leichte Krümmung der Pflanzen zum Licht. Zusätzlich sieht das auch so aus als ob sie weiter gewachsen sind. Im kleineren Topf ist die Bohne auf ca. 10 cm und die andere auf ca. 8 cm gewachsen. Die erste Bohne im größeren Topf ist auf über 30 cm gewachsen, die zweite auf 26 cm, die dritte auf ca. 23 cm. Die vierte Bohne hat sich von seiner Hakenform aufgerichtet und ist ungefähr 6 cm lang und hat ein schnelleres Wachstum zum Licht als die anderen drei Bohnen. Die fünfte Bohne besitzt immer noch seine gebeugte Form (siehe Foto 11 u.12). Zudem sind die Bohnen gelblich und besitzen kaum noch eine grünliche Farbe. Tag 17; die Bohnen sind schon seit zwei Tagen im Karton. Die erste Bohne im kleinen Topf weist eine Größe von ungefähr 10 cm und die Andere von über 11 cm. Es treten langsam die ersten Probleme bei der Messung durch die Krümmung der Bohnen zum Licht. Außerdem wirken die Bohnen im größeren Topf sehr zerbrechlich, deswegen werden sie nicht gemessen (siehe Foto 15). Zusätzlich kann man auch erkennen, dass die Bohnen immer blasser werden. Es ist Tag 18 somit der dritte Tag im Karton. Die erste Bohne im kleineren Topf ist ca. auf 15 cm gewachsen. Im größeren Topf sind die ersten drei Bohnen ungefähr über 30 cm, die vierte 22 cm und die 5 auf 6 cm groß. Am einundzwanzigsten Tag wird deutlich, dass die letzte Bohne somit auch der kaum unterm Licht war einen viel schnelleren Wachstum hat als die anderen Bohnen. Denn sie ist schon ungefähr 32 cm lang. Die darauf folgenden Tage kann man beobachten, dass alle Bohnen eine Krümmung zum Licht haben und dass eine Sprossachse aus dem "Fenster" wächst (siehe Foto 16/17 u. 18). Tag 25; die Sprossachse, die aus dem Fenster heraus wächst wird langsam wieder dicker und lebendiger (siehe Foto 19). Man kann auch eine 2. Sprossachse aus dem Karton herausblühen sehen, aber sie ist noch sehr dünn und zerbrechlich (siehe Foto 20) .Die erste Sprossspitze ist schon ca. 27cm aus dem "Fenster" entfernt und die zweite um 10cm (siehe Foto 21).

5. Ergebnis

Nach einem Tag konnte man schon eine deutliche Krümmung der Bohnen zum Licht beobachten. Meine Frage am Anfang lautete ob es überhaupt stimmt, dass die Pflanzen zum Licht wachsen und ob sie von Umweltfaktoren und -reizen beeinflusst werden. Das Experiment hat gezeigt, dass die Bohne zum Wachsen nicht Licht benötigt. Denn als ich die Bohne ins Dunkle getan hatte, hatte sich sogar der Wachstum beschleunigt (siehe Versuch Teil 2). Aber man konnte sehen, dass die Pflanze sich nicht zur arttypisch grünen, normalen Individuen entwickelt hatte. Sie waren sehr hell, dünn, trocken und wirkten alt (siehe Foto10/11/12/13 u. 14). Das heißt, dass Pflanzen nicht unbedingt Licht zum wachsen brauchen, aber es von Nöten ist um eine gute Photosynthese durchführen. Denn sie brauchen die Energie von der Sonne um sich zu normalen grünen arttypischen Individuen zu entwickeln. Im Versuch Teil 2 wurde auch festgestellt und bewiesen, dass sie unterm Licht sich "normal" entwickelten, denn sie waren grün, frisch und hatten dicke Sprossachsen. "Offensichtlich sind in den dunkel gestellten Keimlingen mehrere entscheidende Schalter nicht betätigt worden. Deshalb ist die Phototransformation zur Normalform nicht durchlaufen worden" . Die Antwort auf diese Reaktion der Pflanze lautet, dass sie einen schnellen Längenwachstum durchführt und nur geringe Differenzierungen in der Sprossachse. Das schnelle Längenwachstum dient eigentlich dazu, dass ein Keimling möglichst schnell seine Sprossspitze aus der Erde hebt um ans Licht zu gelangen. Unter normalen Umständen erreicht die Bohne das Licht und stellt sein schnelles Längenwachstum wieder ein, die Blätter entfalten sich und es entstehen funktionsfähige Chloroplasten für die Photosynthese. Dies bedeutet also, dass die Entwicklungsprozesse der Pflanzen vom Licht kontrolliert werden, sobald sie die Erdoberfläche erreichen.

Kommen wir zu der 2. Frage ob die Pflanze durch Umweltfaktoren wie das Licht zu einer Krümmungsbewegung beeinflusst werden kann. Im 2. Teil des Versuchs wurden die 2 Töpfe mit den Bohnen in einem Karton gestellt aus dem nur aus einer Fläche von ungefähr 4 mal 8 cm großes Fenster Licht hineinfiel (siehe Foto 9). Man konnte schon nach 24 Stunden eine Krümmung der Pflanzen zum Licht beobachten. Die Reaktion der Pflanze auf Licht und die Beeinflussung des Wachstums durch Licht wird als Phototropismus bezeichnet (siehe Kapitel 2.3 Phototropismus). Da sich die Sprossachse der Pflanze gegen die Gravitationskraft der Erde orientiert und sich bei ihrem Längenwachstum zum Licht ausrichtet ist sie positiv Phototrop. Diese Reaktion der Bohnen liegt daran, dass sie auf Licht als Energielieferant für die Photosynthese angewiesen sind. Folge dessen befinden sich in den Pflanzen bestimmte Mechanismen und Hormone, die dazu führen, dass die Pflanzen sich zum Licht krümmen können. Indem Moment wo die Pflanze das seitliche Licht wahrnimmt verschieben sich in der Organspitze die basipetalen Auxinstrome. Dies führt zur einen erhöhten Konzentration in der Schattenseite als in der Lichtflanke. Das heißt, dass in der Lichtseite der Pflanzen eine höhere Tugoränderung in den Zellen der Blätter und Blütenstiele vorhanden ist. Diese höhere Tugoränderung führt auf der Lichtseite zur einen erhöhten Längenwachstum, was die Krümmungsbewegung der Pflanze erläutert. Wir erinnern uns, dass die Aufgabe des Hormons Auxins die Prozesse der Pflanzenentwicklung zu Steuern ist (siehe Kapitel 2.2.1 Auxin und 2.3. Phototropismus).
Quellennachweis auf Anfrage: info@abi-deutsch.de