Botanik lehren: Ein tiefer Einblick in Pflanzenpigmente in Nutzpflanzen

BIOLOGIE VON NAHRUNGSMITTELPFLANZEN UNTERRICHTEN

Trotz der Bedeutung der Pflanzen für unser alltägliches Leben ist es manchmal schwierig, die Aufmerksamkeit von Biologiestudenten zu fesseln – oft sind sie von der Komplexität der Pflanzensystematik und der Zusammensetzung der unzähligen Phytochemikalien überfordert.

Wie bereits im Beitrag berichtet „ Botanik unterrichten: die Taylor-Swift-Methode auf Pflanzen angewendet „Studenten finden Pflanzenwissenschaften im Allgemeinen weniger attraktiv als andere biologische Wissenschaften wie Tierbiologie und Biomedizin. Darüber hinaus stehen Fachleute, die sich der Pflanzenbiologieausbildung widmen, vor Herausforderungen im Zusammenhang mit Ungleichheit des Pflanzenbewusstseins – ein Begriff, der unsere Unfähigkeit beschreibt, Pflanzen in der Umwelt wahrzunehmen und ihre Bedeutung für Ökosysteme und Gesellschaften zu erkennen.

Um den Botanikunterricht spannender zu gestalten, könnte es ein interessanter Ansatz sein, Pflanzen mit einem anderen Blick zu betrachten. In diesem Beitrag untersuchen wir auffällige Strategien zum Studium von Pigmenten, die in den Zellen gängiger Nahrungspflanzen verborgen sind.

DIE MAGIE DER NAHRUNGSMITTELPFLANZEN ENTDECKEN (hinter ihrem Nährwert)

Laut Schätzungen der Vereinten NationenPflanzenarten machen mehr als 80 % der menschlichen Ernährung aus. Nahrungspflanzen sind für unsere Ernährung tatsächlich unverzichtbar, da sie die grundlegenden Quellen primärer Metabolite darstellen – Kohlenhydrate aus Getreide, Proteine ​​aus Hülsenfrüchten und Fette aus einer Reihe von Ölpflanzen – sowie eine breite Palette von Mikronährstoffen, die die ordnungsgemäße Funktion des menschlichen Körpers unterstützen.

Obwohl die globale Ernteproduktion in den letzten Jahrzehnten zugenommen hat, leiden immer noch fast 60 % der Weltbevölkerung Unterernährung im Zusammenhang mit Mikroelementen wie Vitaminen und anderen sekundären Metaboliten – die der Mensch nicht selbst herstellen kann, die aber für die Vorbeugung chronischer Krankheiten, die Stärkung des Immunsystems und die Verringerung des Risikos von Herz-Kreislauf-Erkrankungen unerlässlich sind. So bereichern beispielsweise verschiedene Gartenbauarten unsere Ernährung mit starken Antioxidantien – biologisch aktiven Molekülen, die oxidativen Stress bekämpfen, indem sie toxische reaktive Sauerstoffspezies (ROS) neutralisieren und beseitigen.

TIEF EINTAUCHEN IN DIE PIGMENTE VON LEBENSMITTELPFLANZEN: ein Regenbogen aus Farben

Unter den sieben Farben des Spektrums – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett – nimmt der Mensch vor allem das Grün der Pflanzen wahr. Das liegt daran, Chlorophylle, die photosynthetischen Pigmente, die für grüne Farbtöne verantwortlich sind, sind die am häufigsten vorkommenden im Pflanzenreich. Chlorophylle sammeln sich in Chloroplasten an, den intrazellulären Organellen, die in aktiv photosynthetischen Organen wie Blättern vorkommen. Wenn Blätter alt werden, enthüllt der Abbau von Chlorophyllen die Anwesenheit von Carotinoide, Zusatzpigmente, die eine kräftige gelbe bis rote Färbung erzeugen.

Neben alternden Blättern ändern auch reife Früchte verschiedener botanischer Arten ihre Farbe von grün nach gelb-orange-rot aufgrund der Ansammlung von Carotinoiden (d. h. Xanthophylle und Carotine, die Vorläufer von Vitamin A) in bestimmten Organellen, den sogenannten Chromoplasten. Stattdessen sammeln Zellen anderer reifer Früchte, die eine rote bis blaue Farbe annehmen, andere Pigmente an, die als Flavonoide in der Vakuole – einem Organell, das nicht nur als Aufbewahrungsort für Reserven und Abfallprodukte dient, sondern auch für die Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks zwischen der Zelle und der äußeren Umgebung unerlässlich ist.

Um die erstaunliche verborgene Welt wichtiger Pflanzenpigmente (Chlorophylle, Carotinoide und Flavonoide) in der praktischen Erfahrung zu entschlüsseln (Figure 1), müssen Sie nur ein einfaches optisches Mikroskop verwenden, um frisch zubereitete Scheiben gängiger Nahrungsmittel wie Basilikum (Ocimum basilicum, Lamiaceae Familie), Pfeffer (Capsicum annuum, Solanaceae Familie), Zwiebel (Allium cepa, Amaryllidaceae Familie) und Chicorée (Cichorium Intybus, Asteraceae Familie).

Abbildung 1. Die Farben der Nahrungspflanzen hautnah erleben. Pflanzenmaterial: junge Blätter von Basilikum (oder anderen aromatischen Pflanzen), unreife und reife Paprikafrüchte, eine Knolle roter Zwiebeln und ein Kopf roter Chicorée (Radieschen). Labormaterial: Petrischalen, Klingen und Pinzetten, Objektträger und Deckgläser, Flasche mit Wasser. Labor Ausrüstung: optisches Mikroskop.

CHLOROPHYLLEN SEHEN: Blätter aromatischer Pflanzen

Pflanzen produzieren ihre eigene Nahrung durch Photosynthese (ein komplexer Prozess, der durch miteinander verbundene Reaktionen abläuft) unter Verwendung von Sonnenlicht. Alles beginnt in den Membranen des Chloroplasten, wo Chlorophylcluster und zusätzliche Pigmente zusammenarbeiten, um Sonnenenergie einzufangen.

Ein genauerer Blick auf die Blätter, die wichtigsten Photosyntheseorgane, zeigt auch das Vorhandensein spezifischer Zelltypen, die die Schutzschichten (obere und untere Epidermis) und Poren (Stomata) bilden, die die Interaktion zwischen der Pflanze und der Umwelt modulieren. Weitere Informationen finden Sie in der Botanischen Pille „Das Blatt: Geburt, Leben und Tod eines photosynthetischen Organs".

TIPP 1: Da Chlorophylle löslich in Alkohol, können sie mit Ethanol aus grünem Gewebe extrahiert werden. Experiment: Legen Sie ein Blatt Minze (oder Petersilie) in ein erstes Reagenzglas mit Wasser und ein anderes in ein zweites Reagenzglas mit 95% Ethanol. Überprüfen Sie nach einiger Zeit den Unterschied!

CAROTINOIDE SEHEN: Obst und Wurzelgemüse

Bei Pfeffer sind grüne Früchte die unreife Version reifer Früchte: Die Chloroplasten haben sich noch nicht in Chromoplasten differenziert und enthalten noch Chlorophylle. Wenn sie reif sind, sammeln Früchte je nach Variationen des Carotinoid-Biosynthesewegs rote Xanthophylle (z. B. Capsanthin) oder gelbe Xanthophylle (z. B. Violaxanthin) an. In diesen Organen sammeln sich Pigmente im Mesokarp an – dem Gewebe, das durch die Umwandlung der Ovarialwand nach doppelter Befruchtung entsteht.

TIPP 2: Da Carotinoide fettlösliche Pigmente, sie können mithilfe von Lipiden aus Orangengewebe extrahiert werden. Experiment: Legen Sie einige Karottenscheiben in ein erstes Reagenzglas mit Wasser und andere in ein zweites Reagenzglas mit Pflanzenöl. Überprüfen Sie nach einer Weile den Unterschied!

FLAVONOIDE SEHEN: Gartenbauarten

Bis heute haben Pflanzenwissenschaftler fast 6000 Flavonoide identifiziert, die in verschiedene Gruppen unterteilt sind. Einige von ihnen (z. B. Flavone) sind farblos, während andere (z. B. Anthocyane) verschiedene Organe rot bis blau färben. Diese Moleküle spielen eine Schlüsselrolle bei Lichtschutzmechanismen in Pflanzen und werden wegen ihrer antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften in der menschlichen Ernährung geschätzt.

Unter anderen, Anthocyane reichern sich normalerweise in rot-blauen Blüten und Früchten (z. B. Beeren) an, wo sie die Anziehung von Tieren erleichtern, die für die Bestäubung und Samenverbreitung zuständig sind. Diese Pigmente können aber auch in anderen Organen anthocyanreicher Sorten essbarer Arten gefunden werden, wie z. B. in roten Zwiebelknollen oder Blättern des Trevisan-Radicchio.

TIPP 3: Anthocyane sind wasserlösliche Pigmente die je nach pH-Wert ihre Farbe ändern. Experiment: Wasserextrakte von roten bis blauen Beeren in zwei Reagenzgläser geben und den pH-Wert durch Zugabe einiger Tropfen HCl oder einiger Tropfen KOH verändern. Nach einiger Zeit den Unterschied prüfen!

CREDITS

Die Bilder wurden an der Universität von Urbino während der Übungen mit 2^nd Studierende des Studiengangs „Pflanzenbiologie“, Universitätsabschluss in Wissenschaften der menschlichen Ernährung.