Entwicklung einer Unterrichtseinheit im Fach Biologie für die gymnasiale Oberstufe (Sekundarstufe II) basierend auf Untersuchungen zur Krankheitsresistenz von Gerste gegen Pilze der Gattung Magnaporthe

Ulferts, Sylvia; Schaffrath, Ulrich

doi:32532

Entwicklung einer Unterrichtseinheit im Fach Biologie für die gymnasiale Oberstufe (Sekundarstufe II) basierend auf Untersuchungen zur Krankheitsresistenz von Gerste gegen Pilze der Gattung Magnaporthe = Development of a teaching sequence in biology for secondary school (Sekundarstufe II) based on investigations of disease resistance in barley to fungi of the genus Magnaporthe

Ulferts, Sylvia (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sylvia Ulferts

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangVIII, 271 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schaffrath, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-02-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47195
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/230095/files/4719.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gerste (Genormte SW) ; Reisbrenner (Genormte SW) ; Resistenz (Genormte SW) ; Biologieunterricht (Genormte SW) ; Abscisinsäure (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Magnaporthe (frei) ; Wirt-Resistenz (frei) ; Nichtwirt-Resistenz (frei) ; barley (frei) ; resistance (frei) ; abscisic acid (frei) ; secondary school (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde aktuelle fachwissenschaftliche Forschung mit dem Biologieunterricht in der gymnasialen Oberstufe verknüpft, indem Untersuchungen zur Krankheitsresistenz von Gerste gegen Pilze der Gattung Magnaporthe durchgeführt und als Grundlage zur Entwicklung von material-gebundenen Aufgaben und einer Unterrichtseinheit verwendet wurden. In der Interaktion von Gerste mit phytopathogenen Pilzen der Gattung Magnaporthe wurde der Einfluss von Phytohormonen und Hordatinen auf die Wirt- bzw. Nichtwirt-Interaktion untersucht. Allgemein hatte die exogene Applikation von Phytohormonen einen größeren Einfluss auf die Wirt- als auf die Nichtwirt-Interaktion. Hierbei steigerte exogen applizierte Abscisinsäure (ABA) die Anfälligkeit der Gerste gegenüber M. oryzae in nahezu allen untersuchten Gerstenkultivaren. Diese erhöhte Anfälligkeit konnte fluoreszenzmikroskopisch mit einer verminderten Akkumulation von autofluoreszierendem Material in Papillen an den Interaktionsstellen korreliert werden. Eine erhöhte Anfälligkeit der Gerste in der Wirtinteraktion mit M. oryzae konnte ebenfalls in pharmakologischen Versuchen nach Applikation des PAL-Inhibitors (AiP) beobachtet werden. Da insbesondere die Penetrationsabwehr der Gerste gegen M. oryzae betroffen war, deutete dies daraufhin, dass Komponenten des Phenylpropanstoffwechsels, wie beispielsweise Vorstufen der Hordatine, für diese Abwehrreaktion essentiell sein können. Um die Rolle der Hordatine genauer zu untersuchen, wurde die Transkriptakkumulation verschiedener, möglicherweise an der Hordatinbiosynthese beteiligter Gene mittels RT-qPCR zu verschiedenen Zeitpunkten nach Inokulation der Gerste mit Pilzen der Gattung Magnaporthe bestimmt. Der histologische Nachweis von guanidingruppen-haltigen Substanzen (u.a. enthalten in Hordatinen bzw. deren Vorstufen) in der Gerste/Magnaporthe Interaktion deutete darauf hin, dass guanidingruppen-haltige Substanzen zur Effektivität der Papillen beitragen. Daneben wurden auf einer Gerstenmutante mit veränderter Zusammensetzung der Oberflächenwachse (emr1) Prepenetrations-Entwicklungsprozesse von phytopathogenen Pilzen untersucht. Um Schülerinnen und Schüler an aktuelle wissenschaftliche Forschungs-ansätze aus dem Bereich der Phytopathologie heranzuführen, wurde zunächst der Echte Mehltau (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh) als Pathogen ausgewählt und in der Interaktion mit Gerste für eine potentielle Nutzung in der Schule untersucht. Auf Grundlage der Forschungsergebnisse in beiden Interaktionen der Gerste mit Pilzen der Gattung Magnaporthe und Bgh wurden operationalisierte Aufgaben in Form eines Bausteinprinzips entwickelt, die neben Texterschließungsstrategien auch praktische Arbeiten in Schulexperimenten (Mikroskopie, Enzymatik) und mit Modellen (zweidimensionale Modelle zur Interaktion von Pilzen mit Pflanzen; Funk-tionsmodell zu osmotischen Vorgängen) umfassen. Entsprechend den Einheitlichen Anforderungen in der Abiturprüfung (Kultusministerkonferenz, 2004) wurden für die einzelnen Aufgaben die jeweils angesprochenen Kompetenzen mit Anforderungs- bereichen angegeben. Eine beispielhafte Kombination der Bausteine zu einer Unterrichtseinheit zeigt Einsatzmöglichkeiten im Unterricht der gymnasialen Ober-stufe auf. Einzelne Aufgaben wurden im Schulunterricht bereits durch die Zielgruppe erprobt und evaluiert.

In this study current scientific research methodology was linked to education of biology in secondary school by developing teaching aids for students and a teaching sequence based on the results of investigations of disease resistance in barley to fungi of the genus Magnaporthe. A possible impact of phytohormones and hordatines on host- and nonhost- interactions of barley with fungi of the genus Magnaporthe was examined. Generally the exogenous application of phytohormones had a stronger impact on host- than on nonhost interactions. Exogenous application of abscisic acid (ABA) increased susceptibility of barley to M. oryzae (host-interaction) in nearly all barley cultivars examined. This increased susceptibility after ABA-treatment in host-interaction correlates with a reduced accumulation of autofluorescent material in cell wall appositions (papillae) at penetration sides. Additionally, increased susceptibility of barley to M. oryzae was observed in pharmacological studies by application of 2-aminoindan-phosphonic acid (AiP); AiP inhibits L-phenylalanine ammonia-lyase (PAL) enzyme activity, the core enzyme of phenylpropanoid metabolism. After application of AiP the penetration-defense of barley against M. oryzae was reduced as observed by microscopic investigations, which indicates that compounds deriving from phenylpropanoid metabolism, potentially hordatines, are necessary for defense-reactions in barley. An analysis of transcript- accumulation of different genes involved in hordatine- biosynthesis was performed by RT-qPCR during infection of barley with M. oryzae. A histological approach (staining of guanidine compounds) indicates that guanidine containing substances such as hordatines and their precursors contribute to the formation of papillae. Furthermore a barley mutant altered in its wax composition on leaf surface (emr1) was investigated for alterations of pre- penetration infection structures of different plant-pathogenic fungi. To train students knowledge and understanding of current scientific research methodology in biology the barley-powdery mildew (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh) system was selected as an example for a plant-pathogen interaction, which was tested for use in school. Based on the results of the interactions of barley with Bgh and Magnapothe, respectively, exercises were designed for students in secondary school. All exercises were developed as a modular system, which contains a variety of methods to make scientific texts for students accessible, to perform scientific experiments or to practice handling scientific models. Education standards (Kultusministerkonferenz, 2004) were taken into account to ensure high quality for each exercise to enable students to gain experience in the appropriate skills and requirements. Furthermore, one possible combination of exercises to a teaching sequence is given to show possibilities for use in secondary school. Some exercises have already been tested in school and were evaluated by students.

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