Harald Engelhardt

Klausur & Abitur: Ohne Rhizobien kein Sex

Crotalaria
Crotalaria., Foto: © Forest Starr & Kim Starr

Harald Engelhardt

Unterrichtsvoraussetzungen
Enzymatische und genetische bzw. hormonelle Regulation, Metamorphose von Insekten, Nährstoffangebot und Wachstum bei Pflanzen, Prinzipien der Symbiose, Grundkenntnisse über chemische Strukturformeln
Lösungshinweise und Anforderungsbereiche
Aufgabe 1
Monocrotalin wird synthetisiert, wenn Crotalaria mit Rhizobien infiziert ist und Wurzelknöllchen ausgebildet hat (Material 2).
Der Bildungsort liegt in den Wurzelknöllchen. Hier ist der relative Monocrotalin-Gehalt am höchsten. Von den Knöllchen wird das Alkaloid über die Wurzeln und die Stängel in die Blätter transportiert. Die absolute Menge ist in den Blättern besonders hoch, weil sie den größten Anteil der Pflanze ausmachen (Material 1). Dies ist gegenüber Weidetieren besonders wirkungsvoll. (AFB I/II)
Aufgabe 2
Rhizobien geben einen Botenstoff ab, der entweder ein oder mehrere Enzyme zur Monocrotalin-Synthese anregt oder das Ablesen der entsprechenden Gene aktiviert. Beide Erklärungen sind gleich gut zu bewerten. Der tatsächliche Vorgang ist die Aktivierung der Transkription eines Gens, welches das Eingangsenzym der Synthesekette für Monocrotalin codiert. (AFB II/III)
Aufgabe 3
Bei der Paarung des Crotalaria-Falters (Material 1) wird Monocrotalin auf das Weibchen und bei Befruchtung auf die Eier übertragen. Je stärker die Eier imprägniert sind, desto größer ist ihre Überlebenschance. Der Sexuallockstoff Hydroxydanaidal besteht aus einer chemischen Molekülgruppe, die für das Alkaloid charakteristisch ist (Material 3). Vermutlich entsteht der Sexuallockstoff durch eine hydrolytische Spaltung eines Teils des Monocrotalins. Je höher der Alkaloidvorrat des männlichen Schmetterlings, desto mehr Sexuallockstoff kann gebildet werden. Je mehr Sexuallockstoff verströmt wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit sich zu paaren und Eier mit dem eigenen Spermatophor zu befruchten. (AFB III)
Aufgabe 4
Intensive Nitratdüngung fördert das Wachstum von Gräsern. Sie bewirkt auch, dass Crotalaria keine Symbiose mit Rhizobien eingeht und folglich keine Alkaloide produziert.
Durch den allgemeinen Anstieg in der Biomasse können mehr Weidetiere ernährt werden. Indem Crotalaria keine Alkaloide bildet, sinkt zudem die Vergiftungsgefahr. Durch starke Beweidung geht der Bestand an Crotalaria zurück. Der ökonomische Ertrag, z.B. bei der Rinderzucht, steigt.
Durch das fehlende Alkaloid ist der Crotalaria-Falter über seine verschiedenen Entwicklungsstadien hinweg nicht mehr geschützt und so Fressfeinden ausgeliefert. Zudem können die Männchen durch fehlendes Monocrotalin nur eingeschränkt oder gar keinen Sexuallockstoff bilden. Das beeinträchtigt die Vermehrung. Auf Dauer bedroht eine intensive Nitratdüngung so den Bestand an Crotalaria-Faltern.
Dagegen können sich die Fadenwürmer im Boden ungehemmt vermehren. Ihr zunehmender Wurzelfraß beeinträchtigt das Wachstum und die Diversität der Pflanzen in diesem Lebensraum. Dies wirkt sich wiederum auf die Insektenvielfalt des Gebiets aus.
Zusammengefasst geht der ökononomische Gewinn durch eine intensive Nitratdüngung mit einem ökologischen Verlust oder zumindest mit einer ökologischen Veränderung des Ökosystems in diesem Gebiet einher. (AFB III)
Literatur
Asres, K./Sporer, F./Wink, M. (2004). Patterns of pyrrolizidine alkaloids in 12 Ethiopian Crotalaria species. Biochemical Systematics and Ecology, 32, S. 915930
Becker, A. (2015). Knöllchensymbiose Wenn Pflanzen und Bakterien sich verstehen. Biospektrum, 21, S. 151153. Verfügbar unter: https://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=1339014 [15.08.2018]
Boppré, M. (1995). Pharmakophagie: Drogen, Sex und Schmetterlinge. Biologie in unserer Zeit, 25, S. 817
Irmer, S./Podzun, N./Langel, D./Heidemann, F./Kaltenegger, E./Schemmerling, B./Geilfuß, C.-M./Zörb, C./Ober C. (2015). New aspect of plant-rhizobia interaction: Alkaloid biosynthesis in Crotalaria depends on nodulation. Proceedings...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 443 / 2019

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