Botanik: Rhizobien/Knöllchenbakterien der Lupine *

David 15 · März 17, 2016, 18:11:52 NACHMITTAGS

Hallo Forengemeinde,

da ich bereits als Gewinner des Schülerwettbewerbes "Mikrobe des Jahres 2015" entlarvt wurde: Siehe hier, möchte ich euch die Bilder die ich geschossen habe natürlich nicht vorenthalten

Rhizobien besitzen eine erstaunliche Gabe: Sie können Luftstickstoff fixieren. Diese Stickstofffixierung ist allerdings nur mit einer Symbiose zu Pflanzen (Hülsenfrüchtlern) möglich. Die Bakterien dringen über Wurzelhaare in die Wurzeln der Pflanzen ein und veranlassen dort ein "Tumorwachstum" durch Ausschüttung von Wachstumssignalen. Die Pflanze wird durch die Symbiose mit essenziellem Stickstoff versorgt und die Bakterien erhalten Lebensraum und werden durch die Pflanze mit C-Quellen als Nahrung versorgt. Netter Nebeneffekt: Der Boden wird auf natürliche Weise gedüngt weshalb Leguminosen in der Landwirtschaft gerne angebaut werden (Gründünger)

Präparation der Wurzeln: (Alle Schnitte sind von der Lupine, lediglich die Phasenkontrastaufnahme wurde mit lebenden Bakterien einer Sojabohne erstellt)

1. Fixierung der Proben in AFE für ca. 1 Woche
2. Auswaschen der Fixierlösung mit 70% Ethanol
3. Aufkleben der Wurzelstücke mit Sekundenkleber auf kleine Holzklötze zum Einspannen in den Probenhalter des Mirkotomes (Siehe Bild)
4. Schneiden der Probenstücke mit Einmalklingen und schräg gestelltem Messerhalter. Ständige Ethanolzugabe um Austrocknung zu verhindern. Schnittdicke je nach Probe zwischen 30-40 μm
5. Die fertigen Schnitte werden bis zur Weiterverarbeitung in 70% Ethanol gelagert.
6. Färbung mit W3A Simultanfärbung und anschließendes Eindecken in Euparal.

Geschnitten wurde mit dem Sartorius Doppelzylindermikrotom Nr.32, Mikroskope: Olympus Vanox AHBT3 und BH2, Kamera: Canon EOS 650D

Eingespannte Probe im Mikrotom:

Bild der gesammelten Lupine:

Ältere Wurzelknöllchen an einem Wurzelstück der Lupine:

Deutlich jüngere und kleinere Knöllchen an der Pfahlwurzel der Sojabohne:

Bevor wir zu den mikroskopischen Aufnahmen kommen, möchte ich noch einen makroskopischen Querschnitt durch ein Knöllchen der Lupine zeigen: Eingekreist habe ich zwei Bereiche. Zunächst der rote Bereich der totes Gewebe des Knöllchens zeigt und dann den grünen Bereich der aktives, mit Rhizobien besetztes Gewebe zeigt. Wenn man genau hinschaut sieht man im grünen Bereich eine rötliche Färbung des Gewebes. Diese deutet auf das Vorhandensein von Leghämoglobin hin. Dieser rote Blutfarbstoff ähnelt unserem Hämoglobin und hat auch dieselbe Funktion. Interessant ist, dass unser Hämoglobin aus dem Leghämoglobin hervorgeht! Das Leghämoglobin wird von der Pflanze synthetisiert und bindet überschüssigen Sauerstoff. Das Enzym Nitrogenase ist nämlich sehr sauerstoffempfindlich und kann nur unter Sauerstoffausschluss die Stickstofffixierung vollziehen.

Nun zu den Mikrofotos: Zu aller erst ein Übersichtsfoto des Querschnittes durch ein Wurzelstück mit Knöllchen: Olympus SPlan FL 1x 0,04 160/-

Der rot eingekreiste Bereich zeigt in etwa das Knöllchen. Man sieht kaum lebende Bereiche mit Rhizobien, da es sich um ein älteres Knöllchen handelt (Auch zu sehen an dem älteren leicht lignifiezierten Gewebe (rote Färbung))
Der Pfeil zeigt auf den Bereich mit noch lebenden Bakterien der aber leider ausgerissen ist, da das Gewebe dort sehr weich ist. Außerdem zu sehen sind der Ursprung einer Seitenwurzel (Sw),das Leitgewebe (Lg) das überwiegend aus Xylem besteht und durch Stränge von parenchymatischen Zellen durchbrochen wird. Ferner noch das Rindenparenchym (Rp).

Nun das Ganze auch als Längsschnitt: Olympus SPlan FL 1x 0,04 160/-

Es wurden auf diesem Abschnitt gleich zwei Knöllchen getroffen. Die aktiven Bereiche mit Rhizobien sind durch Pfeile gekennzeichnet

Detailaufnahme des aktiven Bereiches: Olympus UVFL 10x 0,40 160/0,17

Das bräunlich gefärbte Oval beheimatet die Bakterien. Jede dieser Zellen sind voll mit Bakterien wie man im nächsten Bild gut sehen wird.

Weitere Detailaufnahme: Olympus DPlanApo UVPL 100x 1,30 Öl 160/0,17

Zu sehen sind einzelne Bakterien (Bk) und ein Zellkern (Zk)

Detailaufnahme der Nährstoffversorgung der Knöllchen: Olympus UVFL 10x 0,40 160/0,17 , Gegenüberstellung von Hellfeld und Auflicht-Fluoreszenz (Blauanregung)

Zu sehen sind schräg angeschnittene Leitbündel die die Nährstoffversorgung der Knöllchen bilden.

Diese Aufnahme wurde von lebenden Rhizobien aus einem Knöllchen der Sojabohne erstellt. Olympus DPlanApo UVPL 100x 1,30 Öl 160/0,17 im Phasenkontrast

Zu sehen sind viele Bakterien mit einer Länge von ca. 3µm

Zu guter letzt weil Fluoreszenz immer so schön ist, noch eine Detailaufnahme aus dem Zentrum des Querschnittes:

Nochmals sehen wir die Seitenwurzel (Sw), Tracheen (Tr) und verholzte Sklerenchymzellen. Die lignifizierten Zellen leuchten in einem hellen Grün/Gelb

Ich hoffe die Bilder gefallen! Anregungen und Kritik sind natürlich willkommen.

Herzliche Grüße vom See
David

koestlfr · März 17, 2016, 18:24:59 NACHMITTAGS

Hallo David!

Hut ab! Gratulation zu der Auszeichnung und dem interessanten Artikel - perfekt!

Zeigt nicht das Wurzelsystem der Pseudoakazie vergleichbare Knötchen und Wirkungsweise?

Liebe Grüße
Franz

PS: hast du mal versucht, das unfixierte Wurzelmaterial zu schneiden und Primärfluoreszenz zu probieren?

Ole Riemann · März 17, 2016, 19:22:15 NACHMITTAGS

Hallo David,

ich bin begeistert - absolut spitze dokumentiert. Zwei Fragen habe ich noch, eine biologische, eine technische.

Du zeigst auf dem makroskopischen Schnittbild Bereiche, in denen die Pflanze rotes Leghämoglobin bildet. Dies fängt Sauerstoff ab und ermöglicht dadurch erst die Tätigkeit der Nitrogenase der Rhizobien. Heißt dies, dass sich die Stoffwechselfunktionen der beiden Partner miteinander verschränkt haben, die Pflanze sich - bildlich gesprochen - also darum kümmert, dass ihre Bakterienpartner in einem Milieu leben, in dem erst die Tätigkeit der Nitrogenase einsetzen kann?

Und die technische Frage: die Detailaufnahme der Bakterien im Wurzelknöllchen hat einen hübschen, zarten Reliefcharakter. Hast Du leicht schräge Beleuchtung oder DIK eingesetzt?

Besten Dank und viele Grüße

Ole

Martin Kreutz · März 17, 2016, 20:35:54 NACHMITTAGS

Hallo David,

eine sehr schöne Arbeit! Meinen Glückwunsch zu Deinem verdienten Preis! In meiner Jugend habe ich mich tatsächlich auch mal mit diesen Knöllchenbakterien beschäftigt, aber sie nie so gut darstellen können. Wenn man Dein Alter berücksichtigt, haben wir da ja noch einiges zu erwarten.

Schönen Abend!

Martin

WinfriedK · März 17, 2016, 20:52:53 NACHMITTAGS

Meine Güte, mit 15 konnte ich noch nicht mal Männlein und Weiblein unterscheiden (also beim Menschen), dafür habe ich mit dem Kosmos Radiomann Mittelwellen eingefangen.

Detlef Kramer · März 17, 2016, 21:48:06 NACHMITTAGS

Lieber Wilfried,

die 15 stammt aus dem Jahr, als David sich hier anmeldete. Ist ein paar wenige Jahre her. Er macht gerade Abitur. Trotzdem alle Achtung. Nicht zu vergessen aber auch seine technische Anleitung durch Bodo Braunstorfinger.

Lieber David,

darf ich dich ganz herzlich einladen, über Deine Geschichte bei der Kornrade zu berichten?

Herzliche Grüße
Detlef

Herbert Dietrich · März 18, 2016, 11:37:55 VORMITTAG

Hallo WinfriedK,

wenn man Männlein und Weiblein unterscheiden kann, dann hat meist Mikroskopie und Astronomie eine längere Pause.
Oder sollte ich mich da sehr täuschen?

Herzliche Grüße
Herbert

Fahrenheit · März 19, 2016, 08:03:06 VORMITTAG

Lieber David,

vielen Dank für die Bilder zu Deiner Arbeit, die ich sehr interessant finde!
Ich habe Deinen Beitrag unter Lupine in die Liste Botanik aufgenommen.

Herzliche Grüße
Jörg

p.s.
Schade, dass Du nicht nach Darmstadt kommen kannst und viel Erfolg beim Abi!

Klaus Herrmann · März 19, 2016, 13:30:17 NACHMITTAGS

Lieber David,

herzlichen Glückwunsch zu diesem Erfolg. Eine wunderschöne und interessante Arbeit. Wir waren bis gestern noch am See (Hagnau) und haben das schöne Wetter genossen. Das Programm war so dicht, dass es für einen Besuch nicht gereicht hätte. Aber jetzt in der Abi-Vorbereitung wird es bei dir auch nicht viel Luft geben!

Hast du dein erstes Standard noch? Oder musste es weichen?

Viel Erfolg beim Abi!

Rawfoto · März 19, 2016, 21:37:02 NACHMITTAGS

Hallo David

Schoen das Du die Bilder auch im Forum zeigst, natuerlich auch an dieser Stelle Gratulation ...

Liebe Gruesse

Gerhard

MikroTux · März 19, 2016, 23:33:32 NACHMITTAGS

David, danke für die interessanten Bilder.

@Ole:

ZitatHeißt dies, dass sich die Stoffwechselfunktionen der beiden Partner miteinander verschränkt haben, die Pflanze sich - bildlich gesprochen - also darum kümmert, dass ihre Bakterienpartner in einem Milieu leben, in dem erst die Tätigkeit der Nitrogenase einsetzen kann?

- Ja, das ist so. Ich denke ein interessantes Beispiel für eine Co-Evolution, ohne da besonders spezielles darüber zu wissen.

@Franz:

ZitatZeigt nicht das Wurzelsystem der Pseudoakazie vergleichbare Knötchen und Wirkungsweise?

Ja, das tut sie[Robinia pseudoacacia]. Die meisten -wenn auch nicht alle- Leguminosen können mit Knöllchenbakterien eine Symbiose eingehen.

koestlfr · März 20, 2016, 07:24:37 VORMITTAG

Hallo MikroTux!

Danke!

Mittlerweile habe ich jetzt auch schon im Strasburger nachgelesen!

Liebe Grüße
Franz

David 15 · März 21, 2016, 17:55:40 NACHMITTAGS

Hallo zusammen,

vielen vielen Dank für das ganze Lob und die dazugehörigen Glückwünsche !

Ich bin leider ein wenig spät dran, deswegen wurden einige Fragen schon richtig beantwortet.

@Franz: Leider bin ich noch nicht dazu gekommen aber ich habe es mir für diese Saison schon notiert

@Ole: Soweit ich weiß nicht. Allerdings ist das schon ein wenig länger her,deswegen bin ich mir nicht 100% sicher ob da nicht doch was im Strahlengang war

@Klaus: Ja das Standard habe ich immer noch ! Ich muss aber gestehen, dass es in der Vitrine steht. Möchte ihm aber als Reisemikroskop mit einer LED neues Leben einhauchen.

Herzliche Grüße
David