10. – 13. Schuljahr

Jörg Großschedl | Anne Braun | Brigitte Schoenemann | Mitzi Villajuana-Bonequi | Marcel Bucher

Mikroorganismen als Lieferdienste

Unterrichtsvoraussetzungen
Grundlagen der Interaktion zwischen Pflanzen und Mykorrhizapilzen und Knöllchenbakterien; Grundlagen der Pflanzenernährung; Pflanze-Umwelt-Interaktionen
Lösungshinweise und
Anforderungsbereiche
Aufgabe 1
Im Experiment gibt es drei unabhängige Variablen, welche die Forscher systematisch variiert haben: a) den eingesetzten Genotyp, b) den Einsatz von Dünger und c) den Einsatz von Mikroorganismen. Die Ausbildung mutualistischer Symbiosen und das pflanzliche Wachstum bilden die abhängigen Variablen. (AFB I)
Aufgabe 2
Die Experimentalbedingungen zu den Hypothesen 1 und 4 beschreiben eine Beziehung zwischen Dünger (H1) bzw. Genotyp (H4) als unabhängige Variable und dem pflanzlichen Wachstum als abhängige Variable. Die Ergebnisse zu H1 zeigen, dass sich der Eintrag von Düngemitteln positiv auf das pflanzliche Wachstum auswirkt. Die Ergebnisse zu H4 zeigen, dass sich das Wachstum von Wildtyp und P55-Mutante bei ausreichender Düngemittelzufuhr nicht unterscheidet.
Hypothese 1: Der Eintrag von Düngemitteln wirkt sich positiv auf das pflanzliche Wachstum aus.
Hypothese 4: Bei Düngemitteleintrag unterscheidet sich das Wachstum des Wildtyps und der P55-Mutante nicht voneinander. (AFB II)
Aufgabe 3
Für Hypothese 2 (H2) müssen die Forscher die Ergebnisse von zwei Experimentalbedingungen miteinander vergleichen, die sich nur in der Verfügbarkeit von Mikroorganismen als unabhängige Variable unterscheiden. Andere Faktoren dürfen sich nicht unterscheiden. Dies liegt bei den Bedingungen A vs. B sowie C vs. D vor.
Für Hypothese 6 (H6) vergleichen die Forscher die beiden Wildtyp-Bedingungen A und B mit den beiden P55-Bedingungen E und F. Die Verfügbarkeit von Mikroorganismen ist innerhalb beider Vergleiche eine unabhängige Variable. Der Vergleich zeigt, dass sich beim Wildtyp in Anwesenheit der Mikroorganismen mutualistische Symbiosen ausbilden. Bei der P55-Mutante treten trotz Anwesenheit der Mikroorganismen hingegen keine Symbiosen auf. (AFB II)
Aufgabe 4
Die Ausbildung mutualistischer Symbiosen kann nur in Gegenwart der Symbiosepartner erfolgen. Die Verfügbarkeit von Düngemitteln hat keinen Einfluss auf die Ausbildung von Symbiosen. (AFB II)
Aufgabe 5
Düngemitteleintrag und die Anwesenheit der Symbiosepartner beeinflussten das Pflanzenwachstum positiv. (AFB II)
Aufgabe 6
Mykorrhizen und Wurzelknöllchen bilden sich nur beim Wildtyp aus, nicht jedoch bei der P55-Mutante. Die Mutation der P55-Mutante muss gemäß der Mendelschen Regeln demnach in einem Gen vorliegen, das an der Ausbildung von Wurzelknöllchen und Mykorrhizen beteiligt ist. Folglich steuert die Pflanze die Ausbildung von Mykorrhizen und Wurzelknöllchen über einen gemeinsamen genetischen Symbiosesignalweg. Daraus ergeben sich verschiedene Forschungsfragen. Eine wäre zum Beispiel: Welche der Symbiosen ist evolutionsgeschichtlich älter?
Im Laufe der Besiedelung des Landes vor ca. 450 Mio. Jahren hat sich die Mykorrhizasymbiose in Wurzeln von Landpflanzen entwickelt. Sie kommt daher in fast allen heutigen Landpflanzen vor. Die Knöllchensymbiose hat sich erst viele Millionen Jahre später in der Pflanzenfamilie der Leguminosen ausgebildet. Dies geschah, indem der Symbiosesignalweg der Mykorrhizabildung auch für die Knöllchensymbiose verfügbar wurde. Daraus entwickelte sich in den Pflanzen das genetische Programm zur Knöllchenbildung. (AFB III)
Danksagung
Wir bedanken uns bei der Robert Bosch Stiftung (Projektnummer 00904191-014) und der RheinEnergie Stiftung (W-17-2-001) für die Unterstützung bei der Entwicklung des Lernangebots.
Literatur
Parniske, M. (2008). Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nature Reviews Microbiology, 6 (19), S. 763775
Hinweis
Eine Anleitung zur Durchführung des Experiments sowie Erbsensamen (WT und P55), Mykorrhiza-Pilz und Rhizobien als...

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