Keimungspraktikum

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                                                                                                                                                                                                     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