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9.11: Die Rolle der Samenpflanzen - Biologie

9.11: Die Rolle der Samenpflanzen - Biologie


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Lernziele

  • Besprechen Sie die Rolle, die Pflanzen in Ökosystemen spielen

Ohne Samenpflanzen wäre das Leben, wie wir es kennen, nicht möglich. Pflanzen spielen eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung terrestrischer Ökosysteme durch Stabilisierung von Böden, Kohlenstoffkreislauf und Klimamoderation. Große tropische Wälder setzen Sauerstoff frei und wirken als Kohlendioxidsenken. Samenpflanzen bieten vielen Lebensformen Unterschlupf sowie Nahrung für Pflanzenfresser und ernähren dadurch indirekt Fleischfresser. Pflanzliche Sekundärmetaboliten werden für medizinische Zwecke und für die industrielle Produktion verwendet.

Tiere und Pflanzen: Pflanzenfresser

Die Koevolution von Blütenpflanzen und Insekten ist eine Hypothese, die viel Aufmerksamkeit und Unterstützung gefunden hat, insbesondere weil sich sowohl Angiospermen als auch Insekten ungefähr zur gleichen Zeit im mittleren Mesozoikum diversifizierten. Viele Autoren haben die Vielfalt von Pflanzen und Insekten auf Bestäubung und Herbivorie oder den Verzehr von Pflanzen durch Insekten und andere Tiere zurückgeführt. Es wird angenommen, dass dies eine ebenso treibende Kraft war wie die Bestäubung. In der Natur wird eine Koevolution von Pflanzenfressern und Pflanzenabwehr beobachtet. Im Gegensatz zu Tieren können die meisten Pflanzen Raubtieren nicht entkommen oder Mimikry verwenden, um sich vor hungrigen Tieren zu verstecken. Zwischen Pflanzen und Pflanzenfressern herrscht eine Art Wettrüsten. Um Pflanzenfresser zu „bekämpfen“, sind einige Pflanzensamen – wie Eichel und unreife Kaki – reich an Alkaloiden und daher für manche Tiere unappetitlich. Andere Pflanzen werden durch Rinde geschützt, obwohl einige Tiere spezielle Mundstücke entwickelt haben, um pflanzliches Material zu zerreißen und zu kauen. Stacheln und Dornen (Abbildung 1) schrecken die meisten Tiere ab, mit Ausnahme von Säugetieren mit dickem Fell, und einige Vögel haben spezielle Schnäbel, um solche Abwehrmechanismen zu überwinden.

Herbivorie wurde von Samenpflanzen zu ihrem eigenen Vorteil verwendet, um gegenseitige Beziehungen zur Schau zu stellen. Die Verbreitung von Früchten durch Tiere ist das auffälligste Beispiel. Die Pflanze bietet dem Pflanzenfresser eine nahrhafte Nahrungsquelle im Gegenzug für die Verbreitung des genetischen Materials der Pflanze in einem größeren Gebiet.

Ein extremes Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen einem Tier und einer Pflanze sind Akazien und Ameisen. Die Bäume unterstützen die Insekten mit Unterschlupf und Nahrung. Im Gegenzug entmutigen Ameisen Pflanzenfresser, sowohl Wirbellose als auch Wirbeltiere, indem sie blattfressende Insekten stechen und angreifen.

Tiere und Pflanzen: Bestäubung

Gräser sind eine erfolgreiche Gruppe von Blütenpflanzen, die windbestäubt werden. Sie produzieren große Mengen an pulvrigen Pollen, die vom Wind über weite Strecken transportiert werden. Die Blüten sind klein und büschelartig. Auch große Bäume wie Eichen, Ahorne und Birken werden windbestäubt.

Auf dieser Website finden Sie weitere Informationen zu Bestäubern.

Mehr als 80 Prozent der Angiospermen sind für die Bestäubung auf Tiere angewiesen: die Übertragung von Pollen von der Anthere auf die Narbe. Folglich haben Pflanzen viele Anpassungen entwickelt, um Bestäuber anzuziehen. Die Spezifität spezialisierter Pflanzenstrukturen, die auf Tiere abzielen, kann sehr überraschend sein. So ist es beispielsweise möglich, allein aus den Eigenschaften der Blüte den von einer Pflanze bevorzugten Bestäubertyp zu bestimmen. Viele von Vögeln oder Insekten bestäubte Blüten scheiden Nektar aus, eine zuckerhaltige Flüssigkeit.

Sie produzieren auch fruchtbaren Pollen für die Fortpflanzung und sterilen Pollen, der reich an Nährstoffen für Vögel und Insekten ist. Schmetterlinge und Bienen können ultraviolettes Licht wahrnehmen. Blumen, die diese Bestäuber anziehen, zeigen normalerweise ein Muster mit niedrigem ultraviolettem Reflexionsvermögen, das ihnen hilft, das Zentrum der Blüte schnell zu lokalisieren und Nektar zu sammeln, während sie mit Pollen bestäubt werden (Abbildung 2). Große, rote Blüten mit wenig Geruch und einer langen Trichterform werden von Kolibris bevorzugt, die eine gute Farbwahrnehmung, einen schlechten Geruchssinn und einen starken Sitzplatz benötigen. Nachts geöffnete weiße Blüten ziehen Motten an. Andere Tiere – wie Fledermäuse, Lemuren und Eidechsen – können ebenfalls als Bestäubungsmittel fungieren. Jede Störung dieser Interaktionen, wie beispielsweise das Verschwinden von Bienen als Folge von Kollapserkrankungen, kann für die Landwirtschaft, die stark von bestäubten Pflanzen abhängt, zu einer Katastrophe führen.

Testen der Anziehungskraft von Fliegen durch den Geruch von verrottendem Fleisch

Frage: Werden Blumen, die Bienen Hinweise geben, Aasfliegen anziehen, wenn sie mit Verbindungen besprüht werden, die nach verfaultem Fleisch riechen?

Hintergrund: Der Besuch von Blumen durch bestäubende Fliegen ist hauptsächlich eine Funktion des Geruchs. Fliegen werden von verrottendem Fleisch und Aas angezogen. Der faulige Geruch scheint der Hauptlockstoff zu sein. Die Polyamine Putrescin und Cadaverin, die Produkte des Proteinabbaus nach dem Tiertod sind, sind die Quelle des stechenden Geruchs von verwesendem Fleisch. Einige Pflanzen ziehen Fliegen strategisch an, indem sie Polyamine synthetisieren, die denen ähnlich sind, die durch verwesendes Fleisch erzeugt werden, und ziehen dadurch Aasfliegen an.

Fliegen suchen tote Tiere auf, weil sie normalerweise ihre Eier darauf legen und ihre Maden sich von dem verwesenden Fleisch ernähren. Interessanterweise kann der Todeszeitpunkt von einem forensischen Entomologen anhand der Stadien und der Art der Maden bestimmt werden, die von Leichen geborgen wurden.

Hypothese: Da Fliegen von anderen Organismen aufgrund ihres Geruchs und nicht aufgrund ihres Aussehens angezogen werden, zieht eine Blume, die normalerweise wegen ihrer Farben für Bienen attraktiv ist, Fliegen an, wenn sie mit Polyaminen besprüht wird, die denen ähnlich sind, die von verwesendem Fleisch erzeugt werden.

Testen Sie die Hypothese:

  1. Ausgewählte Blumen, die normalerweise von Bienen bestäubt werden. Weiße Petunie kann eine gute Wahl sein.
  2. Teilen Sie die Blüten in zwei Gruppen und besprühen Sie eine Gruppe mit einer Lösung aus Putrescin oder Cadaverin, während Sie Augenschutz und Handschuhe tragen. (Putrescindihydrochlorid ist typischerweise in einer Konzentration von 98 Prozent erhältlich; diese kann für dieses Experiment auf etwa 50 Prozent verdünnt werden.)
  3. Platzieren Sie die Blumen an einem Ort, an dem Fliegen vorhanden sind, und halten Sie die besprühten und nicht besprühten Blüten getrennt.
  4. Beobachten Sie eine Stunde lang die Bewegung der Fliegen. Notieren Sie die Anzahl der Blütenbesuche anhand einer Tabelle ähnlich Tabelle 1. Angesichts der schnellen Bewegung von Fliegen kann es von Vorteil sein, eine Videokamera zu verwenden, um die Interaktion zwischen Fliegen und Blüten aufzuzeichnen. Spielen Sie das Video in Zeitlupe ab, um eine genaue Aufzeichnung der Anzahl der Fliegenbesuche bei den Blumen zu erhalten.
  5. Wiederholen Sie den Versuch noch viermal mit derselben Blumenart, jedoch mit unterschiedlichen Exemplaren.
  6. Wiederholen Sie das gesamte Experiment mit einer anderen Blumenart, die normalerweise von Bienen bestäubt wird.
Tabelle 1. Ergebnisse der Anzahl der Besuche von Fliegen bei besprühten und Kontroll-/unbesprühten Blumen
Versuch #Gesprühte BlumenUngespritzte Blumen
1
2
3
4
5

Analysieren Sie Ihre Daten: Überprüfen Sie die von Ihnen aufgezeichneten Daten. Die Anzahl der fliegenden Besuche bei besprühten Blumen im Verlauf der fünf Versuche (bei der ersten Blumenart) mitteln und diese mit der durchschnittlichen Anzahl der fliegenden Besuche bei den nicht besprühten/Kontrollblumen vergleichen und gegenüberstellen. Können Sie Rückschlüsse auf die Anziehungskraft der Fliegen auf die besprühten Blüten ziehen?

Für den zweiten verwendeten Blumentyp mitteln Sie die Anzahl der fliegenden Besuche bei den besprühten Blumen im Verlauf der fünf Versuche und vergleichen und vergleichen Sie diese mit der durchschnittlichen Anzahl der fliegenden Besuche bei den ungesprühten/Kontrollblumen. Können Sie Rückschlüsse auf die Anziehungskraft der Fliegen auf die besprühten Blüten ziehen?

Vergleichen und vergleichen Sie die durchschnittliche Anzahl von Flügen, die die beiden Blumenarten gemacht haben. Können Sie Rückschlüsse darauf ziehen, ob das Aussehen der Blüte einen Einfluss auf die Anziehungskraft von Fliegen hatte? Hat der Geruch die Unterschiede im Aussehen außer Kraft gesetzt oder wurden die Fliegen von einer Blumenart mehr angezogen als von einer anderen?

Bilden Sie ein Fazit: Unterstützen die Ergebnisse die Hypothese? Wenn nicht, wie ist dies zu erklären?

Die Bedeutung von Samenpflanzen im menschlichen Leben

Samenpflanzen sind die Grundlage der menschlichen Ernährung auf der ganzen Welt (Abbildung 3). Viele Gesellschaften essen fast ausschließlich vegetarische Kost und sind für ihren Nährstoffbedarf ausschließlich auf Samenpflanzen angewiesen. Einige wenige Kulturpflanzen (Reis, Weizen und Kartoffeln) dominieren die Agrarlandschaft. Viele Nutzpflanzen wurden während der Agrarrevolution entwickelt, als die menschliche Gesellschaft den Übergang von nomadischen Jägern und Sammlern zum Gartenbau und zur Landwirtschaft vollzog. Getreide, reich an Kohlenhydraten, ist das Grundnahrungsmittel vieler menschlicher Ernährung. Bohnen und Nüsse liefern Proteine. Fette werden aus zerkleinerten Samen gewonnen, wie es bei Erdnuss- und Rapsöl (Canola) oder Früchten wie Oliven der Fall ist. Auch die Tierhaltung verbraucht große Mengen an Nutzpflanzen.

Grundnahrungsmittel sind nicht die einzigen Nahrungsmittel, die aus Samenpflanzen gewonnen werden. Obst und Gemüse liefern Nährstoffe, Vitamine und Ballaststoffe. Zucker zum Süßen von Speisen wird aus dem einkeimblättrigen Zuckerrohr und der eudikotigen Zuckerrübe hergestellt. Getränke werden aus Aufgüssen von Teeblättern, Kamillenblüten, zerstoßenen Kaffeebohnen oder pulverisierten Kakaobohnen hergestellt. Gewürze stammen aus vielen verschiedenen Pflanzenteilen: Safran und Nelken sind Staubblätter und Knospen, schwarzer Pfeffer und Vanille sind Samen, die Rinde eines Strauches im Laurales Familie liefert Zimt, und die Kräuter, die viele Gerichte würzen, stammen aus getrockneten Blättern und Früchten, wie zum Beispiel der scharfen roten Chilischote. Die ätherischen Öle von Blumen und Rinde sorgen für den Duft von Parfums. Darüber hinaus wäre keine Diskussion über den Beitrag von Samenpflanzen zur menschlichen Ernährung vollständig ohne die Erwähnung von Alkohol. Die Fermentation von pflanzlichem Zucker und Stärke wird in allen Gesellschaften zur Herstellung alkoholischer Getränke verwendet. In einigen Fällen werden die Getränke aus der Fermentation von Zucker aus Früchten gewonnen, wie bei Weinen, und in anderen Fällen aus der Fermentation von Kohlenhydraten aus Samen, wie bei Bieren.

Samenpflanzen haben viele andere Verwendungszwecke, einschließlich der Bereitstellung von Holz als Bauholzquelle, Brennstoff und Material zum Bau von Möbeln. Das meiste Papier wird aus dem Zellstoff von Nadelbäumen gewonnen. Fasern von Samenpflanzen wie Baumwolle, Flachs und Hanf werden zu Stoffen gewebt. Textilfarbstoffe wie Indigo waren bis zum Aufkommen synthetischer chemischer Farbstoffe meist pflanzlichen Ursprungs.

Schließlich ist es schwieriger, den Nutzen von Ziersamenpflanzen zu quantifizieren. Diese zieren private und öffentliche Räume, verleihen dem menschlichen Leben Schönheit und Gelassenheit und inspirieren Maler und Dichter gleichermaßen.

Die medizinischen Eigenschaften von Pflanzen sind den menschlichen Gesellschaften seit der Antike bekannt. In ägyptischen, babylonischen und chinesischen Schriften vor 5.000 Jahren finden sich Hinweise auf die Verwendung der heilenden Eigenschaften von Pflanzen. Viele moderne synthetische therapeutische Medikamente werden de novo aus sekundären Pflanzenstoffen abgeleitet oder synthetisiert. Es ist wichtig zu beachten, dass derselbe Pflanzenextrakt in niedrigen Konzentrationen ein therapeutisches Mittel sein kann, in höheren Dosen zu einem süchtig machenden Medikament und in hohen Konzentrationen möglicherweise tödlich. Tabelle 2 zeigt einige Medikamente, ihre Ursprungspflanzen und ihre medizinischen Anwendungen.

Tabelle 2. Pflanzlicher Ursprung von Arzneimitteln und medizinische Anwendungen
AnlageVerbindungAnwendung
Tollkirsche (Atropa belladonna )AtropinPupillen für Augenuntersuchungen erweitern
Fingerhut (Digitalis purpurea)DigitalisHerzkrankheit, regt den Herzschlag an
Süßkartoffel (Dioscorea spp.)SteroideSteroidhormone: Antibabypille und Kortison
Ephedra (Ephedra spp.)EphedrinAbschwellend und Bronchiol-Dilatator
Pazifische Eibe (Taxus brevifolia)TaxolChemotherapie gegen Krebs; hemmt die Mitose
Schlafmohn (Papaver somniferum)OpioideAnalgetikum (lindert Schmerzen ohne Bewusstlosigkeit) und Narkotikum (lindert Schmerzen bei Benommenheit und Bewusstlosigkeit) in höheren Dosen
Chininbaum (China spp.)ChininAntipyretikum (senkt die Körpertemperatur) und Antimalariamittel
Weide (Salix spp.)Salicylsäure (Aspirin)Analgetikum und Antipyretikum

Biodiversität von Pflanzen

Biodiversität sichert eine Ressource für neue Nahrungspflanzen und Medikamente. Das Pflanzenleben gleicht Ökosysteme aus, schützt Wassereinzugsgebiete, mildert die Erosion, mildert das Klima und bietet vielen Tierarten Schutz. Bedrohungen der Pflanzenvielfalt kommen jedoch von vielen Seiten. Die explosionsartige Zunahme der menschlichen Bevölkerung, insbesondere in tropischen Ländern, in denen die Geburtenraten am höchsten sind und die wirtschaftliche Entwicklung in vollem Gange ist, führt dazu, dass der Mensch in bewaldete Gebiete vordringt. Um die größere Bevölkerung zu ernähren, müssen die Menschen Ackerland erwerben, so dass massiv Bäume gerodet werden. Der Bedarf an mehr Energie für die Stromversorgung größerer Städte und das dortige Wirtschaftswachstum führen zum Bau von Staudämmen, der damit verbundenen Überflutung von Ökosystemen und erhöhten Schadstoffemissionen. Andere Bedrohungen für tropische Wälder gehen von Wilderern aus, die Bäume für ihr wertvolles Holz fällen. Ebenholz und brasilianischer Palisander, beide auf der Liste der gefährdeten Arten, sind Beispiele für Baumarten, die durch wahllosen Holzeinschlag fast vom Aussterben bedroht sind.

Die Zahl der aussterbenden Pflanzenarten nimmt alarmierend zu. Da Ökosysteme in einem empfindlichen Gleichgewicht sind und Samenpflanzen enge symbiotische Beziehungen mit Tieren unterhalten – seien es Raubtiere oder Bestäuber – kann das Verschwinden einer einzelnen Pflanze zum Aussterben verbundener Tierarten führen. Ein echtes und dringendes Problem ist, dass viele Pflanzenarten noch nicht katalogisiert wurden und ihr Platz im Ökosystem daher unbekannt ist. Diese unbekannten Arten sind durch Abholzung, Zerstörung von Lebensräumen und den Verlust von Bestäubern bedroht. Sie könnten aussterben, bevor wir die Möglichkeit haben, die möglichen Auswirkungen ihres Verschwindens zu verstehen. Die Bemühungen zur Erhaltung der Biodiversität umfassen mehrere Aktionslinien, von der Erhaltung von Erbstücksamen bis hin zur Strichcodierung von Arten. Heirloom-Samen stammen von Pflanzen, die traditionell in der menschlichen Bevölkerung angebaut wurden, im Gegensatz zu den Samen, die für die landwirtschaftliche Produktion in großem Maßstab verwendet werden. Barcoding ist eine Technik, bei der eine oder mehrere kurze Gensequenzen aus einem gut charakterisierten Teil des Genoms verwendet werden, um eine Spezies durch DNA-Analyse zu identifizieren.

Lernziele

Die Vielfalt der Angiospermen ist zum Teil auf multiple Interaktionen mit Tieren zurückzuführen. Herbivorie hat die Entwicklung von Abwehrmechanismen bei Pflanzen und die Vermeidung dieser Abwehrmechanismen bei Tieren begünstigt. Die Bestäubung (die Übertragung von Pollen auf ein Fruchtblatt) erfolgt hauptsächlich durch Wind und Tiere, und Angiospermen haben zahlreiche Anpassungen entwickelt, um den Wind einzufangen oder bestimmte Tierklassen anzuziehen.

Pflanzen spielen eine Schlüsselrolle in Ökosystemen. Sie sind eine Quelle für Nahrungsmittel und medizinische Verbindungen und liefern Rohstoffe für viele Industrien. Schnelle Entwaldung und Industrialisierung bedrohen jedoch die Pflanzenvielfalt. Dies wiederum bedroht das Ökosystem.


Abstrakt

Kelps sind ökologisch wichtige Primärproduzenten und Ökosystemingenieure und spielen eine zentrale Rolle bei der Strukturierung küstennaher gemäßigter Lebensräume. Sie spielen eine wichtige Rolle beim Nährstoffkreislauf, bei der Energiegewinnung und -übertragung und sorgen für den biogenen Küstenschutz. Kelps bieten auch ausgedehnte Substrate für kolonisierende Organismen, verbessern die Bedingungen für Unterholzansammlungen und bieten eine dreidimensionale Habitatstruktur für eine Vielzahl von Meerespflanzen und -tieren, einschließlich einer Reihe kommerziell wichtiger Arten. Hier überprüfen und synthetisieren wir vorhandenes Wissen über die Funktion von Seetangarten als biogene Habitatanbieter. Wir untersuchen Biodiversitätsmuster im Zusammenhang mit Seetang-Haltestellen, Stielen und Halmen sowie den weiteren Unterholzlebensraum und suchen nach Verallgemeinerungen zwischen Seetangarten und biogeografischen Regionen. Berücksichtigt werden Umweltfaktoren, die die biogene Habitatbereitstellung und die Struktur assoziierter Gesellschaften beeinflussen, ebenso wie aktuelle Bedrohungen für Seetang-dominierte Ökosysteme. Trotz erheblicher Variabilität zwischen Arten und Regionen sind Seetang wichtige lebensraumbildende Arten, die ein hohes Maß an Biodiversität, vielfältige und reiche Ansammlungen unterstützen und trophische Verbindungen erleichtern. Eine stärkere Wertschätzung und bessere Bewirtschaftung von Seetangwäldern sind von entscheidender Bedeutung, um die Nachhaltigkeit ökologischer Güter und Dienstleistungen zu gewährleisten, die aus gemäßigten Meeresökosystemen stammen.


EINLEITUNG

Abscisinsäure (ABA) ist das Hormon, das normalerweise mit den wichtigsten Pflanzenreaktionen auf Stress in Verbindung gebracht wird. In bahnbrechenden Studien von Hemberg wurde eine wasser- und etherlösliche wachstumshemmende Substanz gefunden, die für die Erhaltung der Knospenruhe bei Kartoffeln und Fraxinus (Hemberg 1949a, 1949b). Dieser Wachstumshemmer wurde in Knospen von . isoliert Acer pseudoplatanus von Philip Wareing im Jahr 1963 und benannt dormin (Eagles and Wareing 1963). Im gleichen Zeitraum wurde von Frederick Addicott eine Substanz entdeckt, die die Abszission von Baumwollfrüchten kontrolliert und Abscisin II genannt (Ohkuma et al. 1963). Das Addicott-Labor fand heraus, dass Abscisin II auch die Blattabspaltung bei Baumwollsämlingen fördert und das durch Indolessigsäure induzierte Wachstum von . hemmt Avena Koleoptile. Später stellte sich heraus, dass Dormin und Abscisin II die gleiche chemische Verbindung sind und Abscisinsäure genannt wurden (Cornforth et al. 1965, Addicott et al. 1968). Obwohl die abszissionsfördernde Rolle von ABA von vielen als indirekter Effekt des erhöhten Ethylenspiegels angesehen wurde ( Cracker und Abeles 1969 ), haben neuere Studien gezeigt, dass ABA die Blattalterung und die Abszission unabhängig von Ethylen fördert ( Ogawa et al. 2009 Zhao et al., 2016).

In den letzten 40 Jahren wurden die Kernkomponenten der ABA-Biosynthese und -Signalgebung durch molekulargenetische, biochemische und pharmakologische Ansätze identifiziert. Genetische Screens für lebendgebärend Mutanten in Mais und Arabidopsis, und für Mutanten, die während der Keimung gegenüber Zucker, Salz und ABA unempfindlich sind, zur Identifizierung zahlreicher Komponenten, die an der ABA-Biosynthese und -Signalübertragung beteiligt sind. Einige der ersten identifizierten waren die Klade A PP2Cs wie ABA Insensitiv (ABI) 1 und ABI2 und die Schlüsseltranskriptionsfaktoren ABI3, ABI4 und ABI5 (Koornneef et al. 1984 Giraudat et al. 1992 Finkelstein 1994 Leung et al. 1994 , 1997 Meyer ua 1994 McCarty 1995 Rodriguez ua 1998 Finkelstein und Lynch 2000 Laby ua 2000 Gonzalez-Guzman ua 2002 ). Biochemische Studien zur ABA-Aktivierung von Proteinkinasen führten zur Identifizierung von AAPK, einem Homolog des Arabidopsis Core-Proteinkinasen, SnRK2s, in Vicia Faba (Li und Assmann 1996). Aufgrund seiner hohen funktionellen Redundanz wurden die ABA-Rezeptoren Pyrabactin Resistance 1 (PYR1) und PYR1-like (PYL) Proteine ​​(im Folgenden als PYLs bezeichnet) erst 2009 von Sean Cutler und Mitarbeitern durch chemisch-genetische Screenings auf Mutanten entdeckt, die sind unempfindlich gegenüber dem ABA-Analogon Pyrabactin (Park et al. 2009). In der Zwischenzeit wurden im Erwin Grill Labor regulatorische Komponenten der ABA-Rezeptoren (RCARs) durch Hefe-Zwei-Hybrid-Screens isoliert ( Ma et al. 2009 ). Die Funktion der Proteine ​​der PYL/RCAR-Familie wurde auch durch in vitro Rekonstitution des zentralen ABA-Signalwegs ( Fujii et al. 2009 ) und später durch substanzielle genetische und strukturelle Beweise weiter bestätigt ( Melcher et al. 2009 Miyazono et al. 2009 Nishimura et al. 2009 Yin et al. 2009 Santiago et al. 2009a , 2009b Gonzalez-Guzman ua 2012 Zhang ua 2015 Miao ua 2018 Zhao ua 2018 ). Hier werden wir die neuesten Updates zur Dynamik des ABA-Spiegels, der ABA-Signalgebung und ihrer strengen Regulierung sowie zu vielseitigen Funktionen in physiologischen Prozessen zusammenfassen.


Arten von Samen

Ein Seed besteht hauptsächlich aus zwei Arten. Die zwei Arten sind:

Lassen Sie uns nun kurz über diese Arten von Samen sprechen.

Struktur eines einkeimblättrigen Samens

Ein einkeimblättriger Samen hat, wie der Name schon sagt, nur ein Keimblatt. Es gibt nur eine äußere Schicht der Samenschale. Ein Samen besteht aus folgenden Teilen:

  • Samenschale: Bei den Samen von Getreide wie Mais ist die Samenschale häutig und im Allgemeinen mit der Fruchtwand, genannt Hull, verschmolzen.
  • Endosperm: Das Endosperm ist sperrig und speichert Nahrung. Im Allgemeinen sind einkeimblättrige Samen endospermisch, aber einige wie bei Orchideen sind nicht-endospermisch.
  • Aleuronschicht: Die äußere Hülle des Endosperms trennt den Embryo durch eine Proteinschicht, die Aleuronschicht genannt wird.
  • Embryo: Der Embryo ist klein und befindet sich in einer Rinne an einem Ende des Endosperms.
  • Schild: Dies ist ein großes und schildförmiges Keimblatt.
  • Embryonale Achse: Pflaume und Keimwurzel sind die beiden Enden.
  • Koleoptile und Koleorhiza: Plumule und Keimwurzel sind in Hüllen eingeschlossen. Sie sind Koleoptile und Koleorhiza.

Struktur eines zweikeimblättrigen Samens

Im Gegensatz zu monokotylen Samen hat ein dikotyler Samen, wie der Name schon sagt, zwei Keimblätter. Es hat folgende Teile:

  • Samenschale: Dies ist die äußerste Hülle eines Samens. Die Samenschale besteht aus zwei Schichten, der äußeren Testa und der inneren Tegmen.
  • Hilum: Das Hilum ist eine Narbe auf der Samenschale, durch die der sich entwickelnde Samen an der Frucht befestigt wurde.
  • Mikropyle: Es ist eine kleine Pore, die über dem Hilum vorhanden ist.
  • Embryo: Es besteht aus einer embryonalen Achse und zwei Keimblättern.
  • Keimblätter: Diese sind oft fleischig und voller Nahrungsreserven.
  • Radikel und Pflaume: Sie befinden sich an den beiden Enden der Embryonalachse.
  • Endosperm: Bei einigen Samen wie Rizinus ist das durch Doppelbefruchtung gebildete Endosperm ein Nahrungsspeichergewebe. Bei Pflanzen wie Bohnen, Gramm und Erbsen ist das Endosperm nicht im reifen Samen vorhanden. Sie werden als nicht-endosperm bezeichnet.


Systembiologie von Saatgut: Das Geheimnis biochemischer Saatgutfabriken für die Ernährungssicherheit entschlüsseln

Samen dienen als biochemische Fabriken für Ernährung, Verarbeitung, Bioenergie und Speicherung von wichtigen Biomolekülen und dienen als Transportsystem zur Weitergabe der genetischen Information an die nächste Generation. Die Forschung zur Abgrenzung des komplexen Systems der Regulation von Genen und Signalwegen im Zusammenhang mit der Saatgutbiologie und der Nährstoffverteilung steckt noch in den Kinderschuhen. Um diese zu verstehen, ist es wichtig, die Gene und Wege zu kennen, die an der Homöostase von Biomolekülen beteiligt sind. In jüngster Vergangenheit werden mit dem Aufkommen und der Weiterentwicklung moderner Werkzeuge der Genomik und Gentechnik mehrschichtige „Omics“-Ansätze und Hochdurchsatz-Plattformen verwendet, um die Gene und Proteine, die an verschiedenen Stoffwechsel- und Signalwegen beteiligt sind, und deren Regulationen zu erkennen Verständnis der Molekulargenetik der Biosynthese und Homöostase von Biomolekülen. Dies kann möglich sein, indem systembiologische Ansätze durch die Integration von Omics-Daten untersucht werden, um die Komplexität der Samenentwicklung und der Nährstoffverteilung zu verstehen. Diese Informationen können zur Verbesserung biologisch wichtiger Chemikalien für die großtechnische Produktion von Nährstoffen und Nutrazeutika durch Pathway Engineering und Biotechnologie genutzt werden. Dieser Übersichtsartikel beschreibt daher verschiedene Omics-Tools und andere Zweige, die zusammengeführt werden, um den attraktivsten Forschungsbereich zur Etablierung des Saatguts als biochemische Fabriken für die menschliche Gesundheit und Ernährung aufzubauen.

Dies ist eine Vorschau von Abonnementinhalten, auf die Sie über Ihre Institution zugreifen können.


Was sind die Rezeptoren für Brassinosteroide?

Studien aus mehreren Laboratorien trugen zum Auffinden des ersten BR-Rezeptors bei [19]. Clouseet al. identifizierte die erste BR-insensitive (BRI) Mutante (genannt bri1) durch Beobachtung der Förderung der Wurzelverlängerung unter inhibitorischen Konzentrationen von BR im Vergleich zum Wildtyp in Arabidopsis [20]. Die bri1 Mutante zeigte Zwergwuchs, reduzierte Zellverlängerung, dunkelgrüne und verdickte Blätter, reduzierte apikale Dominanz, verzögerte Blüte und Seneszenz, veränderte Gefäßmuster und männliche Sterilität. Die positionelle Klonierung von BRI1 wurde von Jianming Li und J. Chory durchgeführt, die 18 Allele von . identifizierten bri1. Trotz struktureller Ähnlichkeit zwischen BRs und tierischen Steroidhormonen ähnelt BRI1 strukturell nicht den nuklearen Steroidrezeptoren von Tieren, sondern kodiert eine leucinreiche Wiederholungsrezeptor-ähnliche Kinase (LRR-RLK) mit einer extrazellulären leucinreichen Wiederholungsdomäne (LRR) und an intrazelluläre Serin/Threonin-Kinase-Domäne [21]. BRI1 ist über verschiedene Pflanzenarten hinweg hoch konserviert [19], was mit dem Befund übereinstimmt, dass BRs in Pflanzen weit verbreitet sind. Es gibt drei BRI1-Homologe in Arabidopsis, BRL1, BRL2 und BRL3. Es wurde gezeigt, dass BRL1 und BRL3, aber nicht BRL2, BRs mit hoher Affinität binden und die Phänotypen der BRI1-Mutation retten, wenn sie unter Verwendung des Promotors von BRI1 exprimiert werden [22]. Bisher sind die Liganden, die BRL2 erkennen könnte, noch unbekannt. BRI1 wird in verschiedenen Pflanzengeweben stark exprimiert und fungiert als Hauptrezeptor von BRs, während die Expression von BRL1 und BRL3 auf Gefäßzellen beschränkt ist und bei Knock-out schwache Phänotypen aufweist [22].


Die Strigolactone sind Signalmoleküle der Rhizosphäre sowie eine neue Klasse von Pflanzenhormonen, bei denen immer mehr biologische Funktionen entdeckt werden. Hier fassen wir einen kürzlichen großen Durchbruch in unserem Verständnis der Strigolacton-Biosynthese zusammen, der die unerwartete Einfachheit des ursprünglich postulierten komplexen Reaktionswegs offenbarte. Darüber hinaus wirft die Entdeckung und Lokalisierung eines Strigolacton-Exporteurs ein neues Licht auf mutmaßliche Strigolacton-Flüsse in die Rhizosphäre sowie innerhalb der Pflanze. Die Kombination dieser Daten mit Informationen über die Expression und Regulation von Strigolacton-Biosynthese- und nachgeschalteten Signalgenen liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Strigolactone die vielen verschiedenen Aspekte der Pflanzenentwicklung kontrollieren und wie sich ihre Signalfunktion in der Rhizosphäre entwickelt haben könnte.

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Der globale Handel wird die Pflanzeninvasion in Schwellenländern unter dem Klimawandel beschleunigen

Der Handel spielt eine Schlüsselrolle bei der Verbreitung gebietsfremder Arten und hat wohl zur enormen Beschleunigung der biologischen Invasionen in jüngster Zeit beigetragen, wodurch Biotas weltweit homogenisiert wurden. Durch die Kombination von Daten zu 60-jährigen Trends des bilateralen Handels sowie zu Biodiversität und Klima haben wir die globale Verbreitung von Pflanzenarten in 147 Ländern modelliert. Die Modellergebnisse wurden mit einem kürzlich zusammengestellten einzigartigen globalen Datensatz über die Anzahl eingebürgerter gebietsfremder Gefäßpflanzenarten verglichen, der die umfassendste Sammlung eingebürgerter Pflanzenverteilungen darstellt, die derzeit verfügbar ist. Das Modell identifiziert Hauptquellenregionen, Einführungsrouten und Hotspots von Pflanzeninvasionen, die gut mit den beobachteten eingebürgerten Pflanzenzahlen übereinstimmen. Im Gegensatz zum allgemeinen Wissen zeigen wir, dass das „imperialistische Dogma“, das besagt, dass Europa seit der Kolonialzeit ein Nettoexporteur von eingebürgerten Pflanzen ist, in den letzten 60 Jahren nicht gilt, als mehr eingebürgerte Pflanzen importiert als aus denen exportiert wurden Europa. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die aktuelle Verbreitung eingebürgerter Pflanzen am besten durch sozioökonomische Aktivitäten vor 20 Jahren vorhergesagt werden kann. Wir nutzten die beobachtete Zeitverzögerung und nutzten die Handelsentwicklungen bis in die jüngste Zeit, um die Entwicklung eingebürgerter Pflanzen für die nächsten zwei Jahrzehnte vorherzusagen. Dies zeigt, dass für Schwellenländer in megadiversen Regionen in den nächsten 20 Jahren besonders starke Zunahmen der eingebürgerten Anlagenzahlen zu erwarten sind. Die Wechselwirkung mit dem prognostizierten zukünftigen Klimawandel wird die Invasionen in nördlichen gemäßigten Klimazonen verstärken und sie in tropischen und (sub)tropischen Regionen reduzieren, jedoch nicht genug, um den handelsbedingten Anstieg auszugleichen.

Text S1. Detaillierte Beschreibung der Modellparametrisierung.

Text S2. Sensitivitätsanalyse.

Text S3. Liste und Diskussion der wichtigsten Modellannahmen.

Abbildung S1. Zeitliche Entwicklung (1948–2009) des Börsenhandelsvolumens.

Abbildung S2. Zeitliche Entwicklung der Größen der beiden bilateralen Handelsdatensätze.

Abbildung S3. Visualisierung von Daten, die als Prädiktorvariablen im Modell verwendet werden.

Abbildung S4. Zukünftige Zunahme der Jahresmitteltemperatur und des Jahresniederschlags prognostiziert.

Abbildung S5. Interkorrelationen der Wahrscheinlichkeiten P(Außerirdischer), P(Intro) und P(Estabieren).

Abbildung S6. Zeitliche Entwicklung der Anpassungsgüte für verschiedene Modellmodifikationen.

Abbildung S7. Einfluss von Änderungen von Parameterwerten auf Modellergebnisse.

Abbildung S8. Einfluss der Anzahl ausgewählter Fallstudien (3–11 Studien) auf die Modellgenauigkeit.

Abbildung S9. Variation der Modellvorhersagen für jedes Land.

Abbildung S10. Vorausgesagte und gemeldete Anzahl eingebürgerter Pflanzen der 12 Fallstudien, die für die Parametrisierung verwendet wurden.

Abbildung S11. Zeitliche Entwicklung des Korrelationskoeffizienten nach Pearson zwischen den beiden bilateralen jährlichen Handelsdatensätzen.

Tabelle S1. Die Gesamtzahl der eingebürgerten Pflanzen, die von einer Spenderregion in eine Empfängerregion transportiert wurden.

Bitte beachten Sie: Der Herausgeber ist nicht verantwortlich für den Inhalt oder die Funktionalität der von den Autoren bereitgestellten unterstützenden Informationen. Alle Anfragen (außer fehlenden Inhalten) sollten an den entsprechenden Autor des Artikels gerichtet werden.


Überblick über die Rolle der fortgeschrittenen Genomik in der Erhaltungsbiologie gefährdeter Arten

In der jüngsten Zeit haben Umweltverschmutzung und andere anthropogene Aktivitäten aufgrund der enormen Fortschritte bei der Industrialisierung ein ernstes Szenario für das Überleben der Biota geschaffen. Es wurde berichtet, dass die gegenwärtige Biota aufgrund der chronischen Exposition gegenüber anthropogenen Aktivitäten in ein „sechstes“ Massensterben eintritt. Verschieden ex situ und vor Ort Maßnahmen zur Erhaltung bedrohter und gefährdeter Pflanzen- und Tierarten wurden getroffen, diese wurden jedoch aufgrund verschiedener damit verbundener Unstimmigkeiten eingeschränkt. Der aktuelle Fortschritt in molekularen Technologien, insbesondere in der Genomik, spielt eine sehr entscheidende Rolle beim Erhalt der biologischen Vielfalt. Advanced Genomics hilft bei der Identifizierung der Genomsegmente, die für die Anpassung verantwortlich sind. Es kann auch unser Verständnis der Mikroevolution durch ein besseres Verständnis von Selektion, Mutation, selbstbewusster Mattierung und Rekombination verbessern. Fortschrittliche Genomik hilft bei der Identifizierung von Genen, die für die Fitness unerlässlich sind, und letztendlich bei der Entwicklung moderner und schneller Überwachungsinstrumente für gefährdete Biodiversität. Dieser Übersichtsartikel konzentriert sich auf die Anwendungen fortgeschrittener Genomik, hauptsächlich demografische, adaptive genetische Variationen, Inzucht, Hybridisierung und Introgression sowie Krankheitsanfälligkeit bei der Erhaltung bedrohter Biota. Kurz gesagt, es bietet die Grundlagen für unerfahrene Leser und Fortschritte in der Genomik für Experten, die sich für die Erhaltung gefährdeter Pflanzen- und Tierarten einsetzen.

1. Einleitung

Anthropogene Aktivitäten haben die globale Umwelt verändert, die Artenvielfalt durch Aussterben verringert und auch die Populationsgröße bereits überlebender Arten verringert. Aufgrund von menschengemachten Aktivitäten und Unterbrechungen ist die gegenwärtige Rate des Artensterbens 1.000-mal höher als die natürliche Hintergrund-Aussterberate und zukünftige Raten werden wahrscheinlich 10.000-mal höher sein [1]. Laut IUCN-Bericht 2015, derzeit 79,837 Arten wurden bewertet, von welchem 23.250 sind vom Aussterben bedroht. Nur ein Drittel der Süßwasserfische der Welt ist durch den Ausbau des Wasserkraftwerks gefährdet [2]. Nach verschiedenen Schätzungen sterben jedes Jahr einige Tausend bis 100.000 Arten aus, die meisten ohne jemals wissenschaftlich beschrieben worden zu sein [3]. Aufgrund dieser enormen anthropogenen Aktivitäten ist die Vorstellung entstanden, dass die Biota der Erde in ein „sechstes“ Massensterben [4] eintritt, die auf der Tatsache basiert, dass die jüngsten Raten des Artensterbens sehr hoch sind als die vormenschlichen Hintergrundraten [5, 6] . Nur auf der Insel Tropical Oceana, 1800 Vogelarten wurden als ausgestorben gemeldet in etwa 2000 Jahren, seit der menschlichen Besiedlung [7]. Auch im wissenschaftlich fortgeschrittenen 19. und 20. Jahrhundert, zahlreiche Vogelarten, Säugetiere, Reptilien, Süßwasserfische, Amphibien, und das Aussterben anderer Organismen wurden dokumentiert [5, 8, 9]. Wenn das Artensterben mit solch einer enormen Geschwindigkeit andauert, wird die zukünftige Generation einen Planeten mit erheblich reduzierter Biodiversität, verminderten Ökosystemleistungen, reduziertem evolutionärem Potenzial und letztendlich höherer Aussterberate und zusammenbrechendem Ökosystem besetzen [3, 10].

Es ist eine große Herausforderung für Biologen und Ökologen, bedrohte Arten zu schützen. Several measures have been taken and efforts done in this regard which is extensively described in literature such as population viability analysis, formulation of metapopulation theory, species conservation, contribution of molecular biology, development of global position system, geographical information system, and remote sensing [11]. In the recent era, genomics is a key part of all the biological sciences and a quickly changing approach to conservation biology. The genomes of many thousands of organisms including plants, vertebrates, and invertebrates have been sequenced and the results augmented, are annotated, and are refined through the use of new approaches in metabolomics, proteomics, and transcriptomics that enhance the characterization of metabolites, messenger RNA, and protein [12]. The genomic approaches can provide detail information about the present and past demographic parameters, phylogenetic issues, the molecular basis for inbreeding, understanding genetic diseases, and detecting hybridization/introgression in organisms [13]. It can also provide information to understand the mechanisms that relate low fitness to low genetic variation, for integrating genetic and environmental methodologies to conservation biology and for designing latest, fast monitoring tools. The rapid financial and technical progress in genomics currently makes conservation genomics feasible and will improve the feasibility in the very near future even [14]. The objective of this review is to describe recently advanced molecular technologies and their role in species conservation. We have described the effectiveness and possibility of conservation technology using the advance genomic approaches along with their limitations and future development. We hope that this review will provide fundamentals and new insights to both new readers and experienced biologists and ecologists in formulating new tools and establishing technologies to prevent endangered species.

2. Biodiversity and Conservation

Biodiversity refers to the variety of all forms of life on this planet, including various microorganisms, plants, animals, the ecosystem they form, and the genes they contain. Biodiversity within an area, biome, or planet is therefore considered at three levels including species diversity, genetic diversity, and ecosystem diversity [15]. As the names indicate, species diversity refers to the variety of species genetic diversity is the variation of genes within species and populations and ecosystem diversity relates to the variety of habitats, ecological processes, and biotic communities in the biosphere [15]. Today’s biodiversity about 9.0 to 52 million species is the result of billions of years of evolution, shaped by natural phenomena, and forms the web of life of which we are an integral part and upon which we are so fully [15, 16]. For species adaptation and survival, genetic diversity is the basic element and all the evolutionary achievement and to some degree survival depend on it. Though both adaptation and survival can be viewed in terms of space, time, and fitness but fitness further includes adaptation, genetic variability, and stability. The phenomenon of extinction can be the result of either abiotic or biotic stresses, caused by various factors such as disease, parasitism, predation, and competition or due to habitat alteration or isolation due to human activities, natural catastrophes, and slow climatic and geological changes. Considering these persistent threats, it is very crucial that genetic diversity in species should be appropriately understood and efficiently conserved and used [17].

At present, several species are in retreat, losing localities, and increasingly threatened with extinction by various factors mainly human intervention, and thus conservation biology has become a major file in recent times. A “threatened” designation generally recognizes a significant risk of becoming endangered throughout all or a portion of a species’ range. Although extinction is a natural process, the human understanding of the value of the endangered species and its realization to intervene the stability of the environment is rapidly increasing. Human interferes in the natural environment of species in different ways, such as destruction of natural habitat, the introduction of nonnative organisms, and direct killing of natural components of a population [18]. Maintaining natural variation of species is beneficial from an economical, ecological, and social perspective. Several combinations of benefit occur for any particular species, and some species are obviously more valuable than the others.

Currently, the maintenance of rare and endangered species is a main focus of interest of biologists and geneticists. The impact of extinction is not always apparent and difficult to predict, and thus several parameters have been set and different technologies are being developed. For example, population viability analysis (PVA) quantitatively predicts the probability of extinction and prioritizes the conservation needs. It takes into account the combined impact of both stochastic (including the demography, environment, and genetics) and terministic (including habitat loss and overexploitation) factors [11]. Mandujano and Escobedo-Morales using PVA method for howler monkeys (Alouatta palliata mexicana) to simulate a group trend and local extinction and to investigate the role of demographic parameters to population growth under two landscape scenarios isolated populations and metapopulation [19]. They found that the rate of relative reproductive success and fecundity is directly linked with the number of adult females per fragment. As a result, the finite growth rate depended mainly on the survival of adult females while in both isolated populations and metapopulation the probability of extinction was exponentially dependent on fragment size. Further, it establishes a minimum viable population, predicts population dynamics, establishes conservation management programs, and evaluates its strategies. However, it is limited by several factors for example, it is often very difficult to measure small-population parameters which need to be used in PVA models. This necessitates the development of more comprehensive and well-established approaches that can not only predict the extinction but also predict rather at a very early stage.

3. Role of Genomics Analysis Tools in Species Conservation

The term genome is about 75 years old and refers to the total set of genes on chromosomes or refers to the organism complete genetic material [20]. Together with the effect of an environment, it forms the phenotype of an individual. Thomas Roderick in 1986 coined the term genomics as a scientific discipline which refers to the mapping, sequencing, and analysis of the genome [21]. Now due to universal acceptance of genomics, it expands and is generally divided into functional and structural genomics. Structural genomics refers to the evolution, structure, and organization of the genome while functional genomics deals with the expression and function of the genome. Functional genomics needs assistance from structural genomics, mathematics, computer sciences, computational biology, and all areas of biology [22].

Genome analysis was once limited to model organisms [23] but now the genomes of thousands of organisms including plants, invertebrates, and vertebrates have been sequenced and the results annotated are further refined and augmented by using new approaches in metabolomics, proteomics, and transcriptomics [12]. Nowadays, it is quite easier to investigate the population structure, genetic variations, and recent demographic events in threatened species, using population genomic approaches. With recent developments, hints for becoming endangered species can be found in their genome sequences. For example, any deleterious mutations in the genes for brain function, metabolism, immunity, and so forth can be easily detected by advanced genomic approaches. Conversely, these can also detect any changes in their genome which may result in enhanced functions of some genes, for example, related to enhanced brain function and metabolism that may lead to the abnormal accumulation of toxins [24–26]. Specific genetic tools and analytical techniques are used to assess the genome of various species to detect genetic variations associated with specific conservation and population structure. Currently, most commonly used genetic tools for detection of genetic variations in both plant and animal species include random fragment length polymorphism (RFLP), amplified fragment length polymorphism (AFLP), random amplification of polymorphic DNA (RAPD), single strand conformation polymorphism (SSCP), minisatellites, microsatellites, single nucleotide polymorphisms (SNPs), DNA and RNA sequence analysis, and DNA finger printing. Analysis of genetic variation in species or population using these tools is carried out either using current DNA of individuals or historic DNA [27]. These tools target different variables within the genome of target species and selection of the specific tools and gnome part to be analyzed is carried out based on the available information. For example, mitochondrial DNA in animals possessing a high substitution rate is a useful marker for the determination of genetic variations in individuals of the same species. However, these techniques have several limitations associated with them. For instance, genetic high substitution rate in animal mitochondrial DNA is only inherited in female lines. Similarly, the mitochondrial DNA in plants has a very high rate of structural mutations and thus can rarely be used as genetic marker for detection of genetic variation. Various genomic tools used for the detection of genetic variations in species and limitations associated with them are summarized in Figure 1. Genome-wide association studies (GWAS), development of genome-wide genetic markers for DNA profiling and marker assisted breeding, and quantitative trait loci (QTL) analysis in endangered and threatened species can give us information about the role of natural selection at the genome level and identification of loci linked with the disease susceptibility, inbreeding depression, and local adaptations. For example, most of the QTLs have been detected using linkage mapping and cover large segments of the genome in different species. Currently, due to the availability of high-density SNP chips and genome-wide analysis techniques, GWAS has proven to be effective in identification of important genomic regions more precisely within the genome of species, for example, those associated with genetic variations and important qualitative and quantitative traits [28]. Further, use of population genetics and phylogenomics can help us in identifying conservation units for recovery, management, and protections [23]. As the genome of more species is sequenced, the rescue of more endangered species will become easier. The applications of advance genomics in the conservation of threatened biota are illustrated in Figure 2.