Teil B
Wähle eine der nachstehenden Aufgaben aus und bearbeite diese.
Aufgabe B1
Rubisco, Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase, ist ein Enzym, das in Pflanzen und einigen Bakterien vorkommt und eine entscheidende Rolle beim Prozess der Kohlenstoffdioxidfixierung während der Fotosynthese spielt.Im ersten Schritt der lichtunabhängigen Reaktion katalysiert Rubisco bei hoher Konzentration von Kohlenstoffdioxid dessen Bindung an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Allerdings zeigt Rubisco bei niedriger Kohlenstoffdioxidkonzentration die Tendenz, Sauerstoff an Ribulose1,5 -bisphosphat zu binden. RuBP steht somit im Calvin-Zyklus in geringeren Mengen zur Verfügung. Diese zur Lichtatmung gehörende Reaktion führt zur Störung der Fotosynthese und wirkt sich nachteilig auf die Biomasseproduktion aus. Außerdem kann das Enzym andere Substrate im aktiven Zentrum binden, die seine Aktivität hemmen. Das Cyanobakterium Synechococcus elongatus ist ein unbegeißelter Prokaryot mit Thylakoiden, die Chlorophyll a enthalten. Das Bakterium weist Besonderheiten auf, um die Lichtatmung so gering wie möglich zu halten und effektiv Fotosynthese zu betreiben.
S. elongatus besitzt im Cytoplasma einen von Proteinen umgebenen Bereich, das Carboxysom. Darin befinden sich die Enzyme Carbo-Anhydrase und eine Rubisco-Variante, die wesentlich effektiver katalysiert als Rubisco höherer Pflanzen. In das Carboxysom kann kein Sauerstoff hineindiffundieren. Die Carbo-Anhydrase erhöht die Kohlenstoffdioxidkonzentration und vermindert die Lichtatmung stark. Material 2: Besonderheiten im Stoffwechsel von S. elongatus
An den Promotor des Operons ist das Regulatorprotein CmpR gebunden und verhindert die Genexpression. Bei hoher Lichtintensität bindet ein Effektor am Regulatorprotein. Dadurch wird die Struktur des Regulatorproteins verändert und das Ablesen der DNA ermöglicht. Nimmt die Lichtintensität ab, kommt es zum gegenteiligen Effekt. Material 4: Das cbb-Operon in S. elongatus Zu Forschungszwecken wurden auf einige Tabakpflanzen der Art Nicotiana tabacum die Gene für die spezifische Rubisco und jene für das dazugehörige Carboxysom aus S. elongatus übertragen. Anschließend fand eine Messung der Kohlenstoffdioxidfixierung sowohl bei dieser transgenen Pflanze als auch bei dem Wildtyp statt.
1
Vergleiche den Bau von S. elongatus mit dem einer Zelle der Tabakpflanze anhand von vier Kriterien.
04 BE
2
Erkläre die Form der Enzymhemmung bei Rubisco.
03 BE
3
Stelle den Prozess der Kohlenstoffdioxidfixierung einschließlich des Calvin-Zyklus in S. elongatus unter Angabe der Reaktionsorte in einem Fließschema dar. Nutze Material 3.
06 BE
4
Erläutere mit Hilfe von Material 4 die Regulation der Rubisco-Synthese in Abhängigkeit der Lichtintensität.
07 BE
5
Beschreibe eine Transformationsmethode zur Herstellung transgener Tabakpflanzen mit Rubisco-Genen aus Cyanobakterien.
05 BE
6
Werte das Diagramm in Material 5 aus.
05 BE
30 BE
Aufgabe B2
Die Gepunktete Laternenträgerzikade Lycorma delicatula ist eine im nördlichen China beheimatete invasive Insektenart, die sich seit 2014 auch in den USA ausbreitet. Aktuell sind in den USA noch keine natürlichen Feinde bekannt.L. delicatula befällt ca. 100 verschiedene holzige Pflanzenarten und richtet in Obstanbaukulturen, an Weinreben und in Wäldern Millionenschäden an. Als Hauptwirt wird der Götterbaum Ailanthus altissima befallen. Diese, ebenfalls aus China stammende, invasive Pflanzenart verdrängt einheimische Pflanzen. Ursachen dafür sind auf der einen Seite seine Robustheit gegenüber abiotischen Umweltfaktoren, andererseits wird er von heimischen Insekten kaum gefressen.
Um Fragen des Umgangs mit und der Bekämpfung von L. delicatula besser beantworten zu können, wurden umfangreiche Studien durchgeführt. Wissenschaftler der Pennsylvania State University untersuchten von 2018 bis 2020 den Zusammenhang der Lebenszyklen von L. delicatula und dem Vorhandensein von A. altissima. Dazu wurden 10 Baumparzellen angelegt, die entweder mit oder ohne A. altissima bepflanzt wurden. In jeder Parzelle wurden im Frühjahr 2019 frisch geschlüpfte Larven ausgesetzt. Wöchentlich wurde die Anzahl der Larven und der adulten Tiere gezählt sowie die Anzahl abgelegter Eigelege erfasst. Als Eigelege bezeichnet man die Gesamtheit der von einem weiblichen Tier auf einmal abgelegten Eier. Adulte Tiere bohren junge Stängel an, um sich aus dem Phloem zu ernähren. Saftaustritt führt zu nässenden Wunden an den Wirtspflanzen, die als Eintrittsorte für Krankheitserreger dienen können. Dies wird durch die Ablagerung von Honigtau, einem zuckerhaltigen Ausscheidungsprodukt von L. delicatula, zusätzlich verstärkt. So werden beispielsweise andere Tiere angelockt und das Wachstum von Rußschimmel stark gefördert. Dieser Pilz überzieht Zweige, Äste und Blätter der befallenen Pflanze mit einer schwarzen, pulverförmigen Schicht. Der Kontakt mit Sporen von Rußschimmelpilzen stellt für viele Menschen ein gesundheitliches Risiko dar. Werden sie in hohen Konzentrationen eingeatmet, besteht die Möglichkeit, dass sie über die Lungenbläschen in den Blut- und Lymphkreislauf eindringen und zu einer spezifischen Immunreaktion im Organismus führen. Es kommt letztendlich zu einer Antigen-Antikörper-Reaktion. Material 6: Schadwirkung von L. delicatula L. delicatula durchläuft pro Jahr nur einen Generationszyklus. Im Zeitraum von August bis November legt sie ihre Eier an Stämmen mit glatter Rinde, wie z. B. an denen des Götterbaums, aber auch auf nichtpflanzlichen Materialien wie Steinen ab. Die sich daraus entwickelnden Larven schlüpfen im Mai und entwickeln sich bis Ende Juli zu adulten, geschlechtsreifen Tieren. Nach der Eiablage sterben diese ab.
1
Fertige auf unliniertem Papier eine beschriftete schematische Zeichnung vom Querschnitt der Sprossachse einer zweikeimblättrigen Pflanze an.
05 BE
2
Leite mit Hilfe von Material 6 drei Auswirkungen des Befalls von L. delicatula auf die Wirtspflanze ab.
06 BE
3
Analysiere den Einfluss des Rußschimmelbefalls auf die Fotosyntheseleistung des Götterbaumes.
05 BE
4
Werte das Diagramm in Material 7 aus.
05 BE
5
Stelle in einem Fließschema die spezifische Immunreaktion dar, die durch den Kontakt mit Rußschimmelsporen ausgelöst wird.
05 BE
6
Diskutiere den Einsatz von L. delicatula für die Bekämpfung von A. altissima in den Verbreitungsgebieten der USA.
04 BE
30 BE
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Lösung B1:
1
Vergleich vom Bau von S. elongatus mit dem einer Zelle der Tabakpflanze:
| Kriterien | S. elongatus | Zelle der Tabakpflanze |
|---|---|---|
| Zellkern | Kein Zellkern | Zellkern mit Doppelmembran |
| Thylakoide | Ungebundene Thylakoide | In Chloroplasten eingebettet |
| Organellenstruktur | Keine membranumschlossenen Organellen (z.B. keine Mitochondrien, keine Chloroplasten) | Membranumschlossene Organellen (z.B. Mitochondrien, Chloroplasten) |
| Spezielle Strukturen | Carboxysom (für CO₂-Fixierung im Calvin-Zyklus) | Keine Carboxysomen |
2
Form der Enzymhemmung bei Rubisco:
Rubisco unterliegt einer Form der kompetitiven Hemmung, bei der Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid um das aktive Zentrum konkurrieren. Bei niedrigen CO2-Konzentrationen bindet Sauerstoff an Rubisco, was zu einer ineffizienten Nutzung von Ribulose-1,5-bisphosphat führt und den Calvin-Zyklus stört. Die Bindung von Sauerstoff statt CO2 führt zur Lichtatmung, was die Biomasseproduktion negativ beeinflusst. Zudem können andere Substanzen das aktive Zentrum blockieren, wodurch die Aktivität von Rubisco weiter gehemmt wird.
3
Prozess der Kohlenstoffdioxidfixierung einschließlich des Calvin-Zyklus in S. elongatus:
4
Regulation der Rubisco-Synthese in Abhängigkeit der Lichtintensität:
Die Rubisco-Synthese in S. elongatus wird durch das cbb-Operon reguliert, das empfindlich auf Veränderungen der Lichtintensität reagiert.
Bei hoher Lichtintensität bindet ein Effektor an das Regulatorprotein CmpR, das normalerweise die Expression des Rubisco-Gens blockiert. Durch die Effektorbindung wird die Struktur von CmpR verändert, was die Transkription der Rubisco-Gene ermöglicht. Diese Anpassung stellt sicher, dass Rubisco bei hoher Lichtintensität, wenn genügend Energie für die CO2-Fixierung zur Verfügung steht, effizient synthetisiert wird.
Bei niedriger Lichtintensität ist der Effektor nicht mehr vorhanden, wodurch CmpR wieder an den Promotor bindet und die Genexpression hemmt. Diese Regulation verhindert eine unnötige Synthese von Rubisco bei geringer Lichtverfügbarkeit, was Ressourcen spart.
Diese dynamische Regulation ermöglicht es S. elongatus, sich schnell an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen und die Synthese von Rubisco an den Energiebedarf der Zelle anzupassen.
5
Transformationsmethode zur Herstellung transgener Tabakpflanzen mit Rubisco-Genen aus Cyanobakterien:
Die Transformation von Tabakpflanzen mit Rubisco-Genen aus S. elongatus kann mithilfe der Agrobacterium-vermittelten Transformation durchgeführt werden.
- Das Rubisco-Gen von S. elongatus wird in ein Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens kloniert.
- Agrobacterium wird dann verwendet, um die Tabakpflanzenzellen zu infizieren. Das Bakterium überträgt das Ti-Plasmid mit dem Rubisco-Gen in das Genom der Pflanzenzelle.
- Die infizierten Zellen werden in vitro kultiviert, und durch die Zugabe von Hormonen erfolgt die Differenzierung und Regeneration vollständiger Pflanzen aus den transformierten Zellen.
- Diese transgenen Pflanzen exprimieren nun das Rubisco-Gen aus S. elongatus und können dadurch eine effizientere CO2-Fixierung durchführen.
6
Auswertung des Diagramms:
Das Diagramm zeigt, dass die transgenen Tabakpflanzen, die das Rubisco-Gen von S. elongatus enthalten, eine höhere CO2-Fixierungsrate als die Wildtyp-Pflanzen aufweisen.
Besonders bei niedrigen CO2-Konzentrationen und hoher Lichtintensität ist die Fixierungsrate der transgenen Pflanzen deutlich gesteigert. Dies deutet darauf hin, dass die Rubisco-Variante von S. elongatus eine höhere Affinität für CO2 besitzt oder eine höhere Effizienz bei der CO2-Fixierung aufweist.
Im Gegensatz dazu zeigen die Wildtyp-Pflanzen eine geringere Fixierungsrate, was auf die limitierte Effizienz der pflanzlichen Rubisco hinweist.
Die höheren Fixierungsraten bei den transgenen Pflanzen unterstreichen die potenziellen Vorteile der Cyanobakterien-Rubisco in der biotechnologischen Anwendung zur Steigerung der Biomasseproduktion.
Lösung B2:
1
Schematische Zeichnung vom Querschnitt der Sprossachse einer zweikeimblättrigen Pflanze:
2
Drei Auswirkungen des Befalls von L. delicatula auf die Wirtspflanze:
- Wassermangel: Durch das Saugen von Saft aus dem Phloem der Wirtspflanze verursacht L. delicatula einen erheblichen Wassermangel, was zur Schwächung der Pflanze und zu reduziertem Wachstum führt.
- Schimmelwachstum: Die Ausscheidungen von L. delicatula fördern das Wachstum von Rußschimmel auf den betroffenen Pflanzen, was die Photosynthese beeinträchtigt, da die Blätter weniger Licht absorbieren können.
- Infektionsrisiko: Die Wunden, die durch den Befall entstehen, bieten Eintrittspunkte für Krankheitserreger, wodurch das Risiko für Sekundärinfektionen stark erhöht wird. Dies kann letztlich zu einem beschleunigten Absterben der Wirtspflanze führen.
3
Einfluss des Rußschimmelbefalls auf die Fotosyntheseleistung des Götterbaumes:
Der Rußschimmelbefall hat direkte Auswirkungen auf die Fotosyntheseleistung des Götterbaumes (Ailanthus altissima).
Der Schimmel überzieht die Blätter der Pflanze mit einer schwarzen, pulverartigen Schicht, die das Eindringen von Licht blockiert. Da die Lichtabsorption für die Fotosynthese entscheidend ist, wird die Effizienz der Fotosynthese durch den Schimmel drastisch reduziert.
Zudem wird die Gasdiffusion durch die Spaltöffnungen beeinträchtigt, was die CO2-Aufnahme weiter einschränkt und den Calvin-Zyklus negativ beeinflusst. Dadurch sinkt die Produktion von Zucker und die Energieversorgung der Pflanze wird vermindert.
4
Auswertung des Diagramms:
Das Diagramm zeigt, dass die Überlebensrate der adulten Lycorma delicatula in Parzellen mit Ailanthus altissima deutlich höher ist als in Parzellen ohne diese Pflanze. Die Zikaden sind auf den Götterbaum als Hauptnahrungsquelle angewiesen, insbesondere auf dessen Phloemsaft. In Parzellen ohne den Götterbaum sinkt die Überlebensrate signifikant.
Zudem ist in den Parzellen mit A. altissima die Anzahl der abgelegten Eigelege höher, was darauf hindeutet, dass die Zikaden nicht nur besser überleben, sondern auch erfolgreich reproduzieren. Das Diagramm bestätigt somit, dass der Götterbaum eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Fortpflanzung von L. delicatula spielt.
Das Diagramm verdeutlicht zudem, dass in den Parzellen ohne A. altissima nicht nur die Überlebensrate, sondern auch die Fortpflanzungsaktivität der Zikaden stark eingeschränkt ist. Dies zeigt die Abhängigkeit von L. delicatula gegenüber dem Götterbaum, da alternative Nahrungsquellen oder Wirtsbäume offenbar weniger geeignet sind, um eine vergleichbare Populationsdichte aufrechtzuerhalten.
5
Die durch den Kontakt mit dem Rußschimmelsporen ausgelöste spezifische Immunreaktion:
6
Einsatz von L. delicatula für die Bekämpfung von A. altissima in den Verbreitungsgebieten der USA:
Der Einsatz von L. delicatula zur Bekämpfung des invasiven Götterbaums in den USA könnte eine effektive Methode sein, um die Ausbreitung von A. altissima zu kontrollieren.
Einerseits wäre L. delicatula ein natürlicher Feind des Götterbaums, da dieser seine bevorzugte Wirtspflanze ist. Durch die Reduktion der Götterbaum-Bestände könnte die Ausbreitung dieser invasiven Art eingedämmt werden.
Andererseits besteht jedoch das Risiko, dass L. delicatula auch andere Pflanzenarten befällt, was zu unerwünschten ökologischen Schäden führen könnte. Eine kontrollierte Freisetzung und Überwachung wären daher notwendig, um negative Auswirkungen auf die heimische Flora zu vermeiden.