Skip to content

Trockenstress bei Pflanzen – Wassermangel im Unterricht messen

In den Jahren 2018 bis 2020 regnete es in Deutschland viel zu wenig, was deutlich am Zustand der Wälder zu sehen ist. Zwar verfügen Pflanzen über bestimmte Mechanismen, mit trockenen Phasen umzugehen, aber eben nur für eine bestimmte Zeit. Zudem ist das mit großem Stress für sie verbunden.

Ein Beitrag von Dr. Thomas Hoppe, Carla Porges und Dr. Karl Porges

Bäume, die an ihr jeweiliges Verbreitungsgebiet angepasst sind, verfügen über verschiedene Möglichkeiten, die Ressource Wasser aufzunehmen bzw. zu nutzen. Ein extremer Mangel führt jedoch zu Trockenstress und zur Ausschüttung des Hormons Abscisinsäure (ABA), das eine Vielzahl biochemischer Prozesse beeinflusst. Auch die Fotosynthese kommt ohne Wasser zum Erliegen. Diese Stresssymptomatik kann für Lernende sichtbar gemacht werden.

Strategien bei Wassermangel

Wasser ist für alle Organismen lebensnotwendig. Sie brauchen Wasser für die Aufrechterhaltung der Zellstruktur, Transportvorgänge, Energiegewinnung und -speicherung, Temperaturhaushalt etc. Insbesondere bei pflanzlichen Organismen, die sich nicht fortbewegen können, führt ein plötzlich auftretender Wassermangel zu Trockenstress. Bei krautigen Pflanzen sind die Auswirkungen innerhalb weniger Stunden zu sehen.

Kiefern-Mischwald: Neben scheinbar intakten Bäumen sind bereits vertrocknete Kiefern zu erkennen.© Colin Behrens – Pixabay

Anpassungserscheinungen pflanzlicher Organismen an trockene Standorte, Beispiele und ursprüngliche Vorkommen

Arten, die ihr natürliches Verbreitungsgebiet in semiariden und ariden (wüstenhaften) Gebieten haben, weisen eine Vielzahl von Strategien gegen den Mangel auf: veränderte Cuticula (eine Art Wachsschicht auf Blättern), Reduktion der Blattoberfläche, eingesenkte Spaltöffnungen, Sitz, Anzahl oder Öffnungsrhythmus der Spaltöffnungen, C4/CAM-Stoffwechsel.

ABA als Trockenstresshormon

Sobald die Wasserversorgung stagniert, wird ABA aus den Apoplasten der Blattund Wurzelzellen ausgeschieden und zu den Schließzellen transportiert. Es bewirkt, dass Wasser aus den Vakuolen abgegeben wird. Durch die eintretende Verminderung des Zellinnendrucks (Turgor) kommt es zu einer 30- bis 70-prozentigen Verengung der Spaltöffnungen, was eine Verringerung der Wasserdampfabgabe bewirkt. Ebenfalls ist das Phytohormon ABA dafür verantwortlich, dass Blätter und Früchte abgestoßen werden. Dadurch wird ein weiterer Wasser- und Energieverlust unterbunden.

ABA zu analysieren, ist technisch herausfordernd und im Freiland schwer umzusetzen. Allerdings können die vorhandenen Kenntnisse zur Fotosynthese genutzt werden, um indirekt eine unter Stress stehende Pflanze zu erkennen.

Fotosynthese bei Wassermangel

Wasser wird während der Fotosynthese mithilfe von Lichtenergie in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt (Fotolyse des Wassers); gibt es zu wenig Wasser, wird das unterbunden. Bei hoher Lichteinstrahlung und geringer Wasserversorgung kommt es zur Fotorespiration. Eine geringere Fotosyntheserate ist durch die Infrarotabstrahlung von Chloroplasten messbar. Im Fotosystem II kommt es bei der Absorption von Lichtenergie im Rotlichtbereich zur Anregung von Pigmentmolekülen (Chlorophyll a). Diese werden aus einem Grundzustand in einen energiereicheren Singulett-Zustand versetzt. Durch Anregung im Blaulichtbereich werden die Moleküle in einen zweiten Singulett-Zustand gehoben. Wird der zweite Zustand nicht erreicht, kommt es zu Energieabgabe in Form von Fluoreszenzlicht und Wärme.

Trockenstress sichtbar machen

Um die veränderte Lichtabstrahlung festzustellen, kann man eine handelsübliche Digitalkamera modifizieren. Die meisten Kameras sind in der Lage, ein breites Lichtspektrum aufzunehmen. Dieses wird in den meisten Fällen durch eingebaute Filter begrenzt. In unserem Fall sollte der Infrarotfilter entfernt werden, um Licht in dem für diese Anwendung relevanten Bereich aufnehmen zu können. Dabei wird der grünlich schimmernde Filter hinter dem Objektiv ausgebaut. Zur Auswertung der Bilder kann die Open-Source Software QGIS genutzt werden, die Bilder in das Raster des normierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI) umrechnen kann. Dadurch können die Farbspektren von gestressten und nicht gestressten Pflanzen veranschaulicht werden.

Ablaufschema der Photonenübertragung: a) normaler Wasserhaushalt, b) Wassermangel

Weitere Informationen

Bowsher, C., Steer, M. & Tobin, A. (2008). Plant Biochemistry. New York: Garland Pub.

Gulder, H. J. (2017). LWF Wissen 80 – Beiträge zur Fichte.

Bresinsky, A. et al. (2008). Strasburger – Lehrbuch der Botanik. Heidelberg: Springer-Verlag.

Lehninger, A. L. (1987). Prinzipien der Biochemie (S. 714). Berlin: de Gruyter-Verlag.

McAdam, S., Brodribb, T., Banks, J. et al. (2016). Abscisic acid controlled sex before transpiration in vascular plants. PNAS.
doi.org/10.1073/pnas.1606614113

Roháček, K., Soukupova, J. & Barták, M. (2008). Chlorophyll fluorescence: A wonderful tool to study plant physiology and plant stress. In B. Schoefs (ed.). Plant cell compartments – Selected topics. Research Signpost. India: Kerala.

Yao, J. et al. (2018). Phenotyping of Arabidopsis Drought Stress Response Using Kinetic Chlorophyll Fluorescence and Multicolor Fluorescence Imaging. doi.org/10.3389/fpls.2018.00603

Imbery, F., Kaspar, F., Friedrich, K. & Plückhahn, B. (2021). Klimatologischer Rückblick auf 2020: Eines der wärmsten Jahre in Deutschland und Ende des bisher wärmsten Jahrzehnts.
www.bit.ly/3HfKcTx

Dr. Thomas Hoppe

ist als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Friedrich-Schiller-Universität Jena in der AG Biologiedidaktik tätig.

Carla Porges

M. Sc., ist Lehrkraft und als Gastwissenschaftlerin an der Friedrich-Schiller-Universität Jena in der AG Biologiedidaktik tätig.

Dr. Karl Porges

ist abgeordnete Lehrkraft und als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Friedrich-Schiller-Universität Jena in der AG Biologiedidaktik tätig.

Beitrag teilen:

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest
XING
WhatsApp
Email

Ähnliche Beiträge

Programmieren Lego
Gesponserte Inhalte
23. Januar, 2023
Wer keinerlei Erfahrung mit digitalem Unterricht hat, der möchte das Thema oft gar nicht aufgreifen. Aber mit dem handlungsorientierten Lernkonzept SPIKE TM Essential von LEGO® Education gelingt es spielend leicht, Grundschulkindern der Klassen 1 bis 4 die Grundprinzipien des Programmierens beizubringen.
Waerme
23. Januar, 2023
Mithilfe von Thermografie- oder Wärmebildkameras lässt sich die für unsere optische Wahrnehmung nicht erfassbare Infrarotstrahlung detektieren und sichtbar machen. Die von verschiedenen Gegenständen oder Lebewesen emittierte Wärmestrahlung wird durch die Programmierung der Kamera so umgerechnet, dass sogenannte Falschfarbenwärmebilder entstehen. Unterrichtliche Erfahrungen zeigen, dass Lernende diese Farbcodierung zumeist intuitiv verstehen.
Citizen Science © Gesine Born
5. Januar, 2023
Pinguine in der Antarktis zählen, Galaxietypen identifizieren oder Tiere der Serengeti bestimmen – Citizen Science bietet vielfältige Möglichkeiten zum Mitforschen für Schüler*innen.
2022_11_24_Schulmatrial EO Banner_ohne Text und Logo
Gesponserte Inhalte
1. Dezember, 2022
Das Schulmaterial der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und Klett MINT erklärt anschaulich, wie Erdbeobachtung funktioniert und welchen Nutzen der Blick von oben für uns auf der Erde hat.
Blogbeitrag_Präparate-Hosentasche_Header
25. November, 2022
Das Mikroskopieren stellt eine für die Naturwissenschaften einzigartige Arbeitsweise dar und ist als eine Form des Untersuchens für den Biologieunterricht von besonderer Bedeutung. Beim Mikroskopieren werden die Sinne durch das Mikroskop erweitert und Objekte sowie Phänomene der Natur erfahrbar, die makroskopisch nicht untersucht werden können. Neben den systematischen Beobachtungen können aber auch weitere Fähigkeiten gefördert werden.
Wolf
14. Oktober, 2022
Seit über 20 Jahren leben wieder Wölfe in Deutschland. Die Rückkehr des Wolfes wird von Naturschutzgruppen begrüßt und von Jäger*innen sowie Nutztierhalter*innen kritisch gesehen. Zu Recht? Betrachten wir einmal die von der Dokumentations- und Beratungsstelle des Bundes zum Thema Wolf (DBBW) veröffentlichten Daten durch die Mathematikbrille.
MZ-02-22_Beitragsbild-3D-Druck
25. August, 2022
Es scheint ein Charakteristikum des fortschreitenden 21. Jahrhunderts zu sein, dass unser Alltag geprägt ist von globalen Krisen, die von der Menschheit nur dann gelöst werden können, wenn sie sich kollektiv intelligent verhält. Ob und wie das gelingen kann, ist mit Sicherheit auch eine Frage unseres Bildungssystems.
MZ-02-22_Blogbeitrag_Fischereispiel
8. August, 2022
Auch in der Wirtschaftswissenschaft werden Experimente mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl von Fragestellungen genutzt: Die experimentelle Wirtschaftsforschung gilt als etablierte Disziplin.
MZ-02-22_Beitragsbild_Energie
29. Juli, 2022
Biomasse, Sonnenenergie, Windkraft und Wasserkraft sind die Themen der Zukunft. Grund genug, sie bereits heute auf spielerische Weise in den Unterricht einzubinden. Dieser Beitrag gibt spannende Unterrichtsideen in Form von Stationen und Experimenten.
MZ-02-22_Beiragsbild-Hecken
8. Juli, 2022
Hecken sind viel mehr als nur ein Sichtschutz für Haus und Garten. Sie sind ein wichtiger Lebensraum, in dem sich so manche tierische Überraschung versteckt, und können zudem Treibhausgasemissionen kompensieren – vorausgesetzt, es handelt sich um Naturhecken aus einheimischen Sträuchern.
MZ-01-22_Beitragsbild_Rätsel-Würfelaufkleber
8. Juni, 2022
Auf MINT Zirkel gibt es Knobel- und Rätselspaß mit Heinrich Hemme.
MZ-01-22_Beitragsbild_Geldscheine
7. Juni, 2022
Schaut man in die Geldbörsen in aller Welt, so entdeckt man viele Banknoten, die voller Mathematik, Physik und Astronomie sind. Wer nach Tadschikistan reist, wird mit großer Sicherheit auch einen 20-Somoni-Schein in seiner Geldbörse haben. Darauf ist der Universalgelehrte Avicenna abgebildet.