Aufgabe (1–4) – Fotosynthese · Abitur NRW Biologie LK · C3/C4-Pflanzen 2026

Thema: Fotosynthese · Aus der Prüfung LK · C3/C4-Pflanzen (2026)

Aufgabenstellung

C 3 -Pflanzen und Diversität bei C 4 -Pflanzen

Der Gruppe der C 3 -Pflanzen wird häufig die Gruppe der C 4 -Pflanzen gegenübergestellt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen C 3 - und C 4 -Pflanzen zeigt sich in der Wirkung von Herbiziden. Darüber hinaus können auch innerhalb der Gruppe der C 4 -Pflanzen verschiedene C 4 -Typen unterschieden werden.

Material 1: C 3 - und C 4 -Pflanzen im Vergleich

C 4 -Pflanzen sind im Vergleich zu C 3 -Pflanzen in ihrem anatomischen Bau des Pflanzenkörpers und ihren stoffwechselphysiologischen Besonderheiten an Standorte mit hohen Temperaturen und Trockenheit angepasst. Abbildung 1 zeigt schematische lichtmikroskopische Querschnitte durch je ein Laubblatt einer C 3 - und einer C 4 -Pflanze. Abbildung 2 stellt vergrößerte Ausschnitte der Blattquerschnitte mit der Lokalisierung ausgewählter Prozesse der Fotosynthese bei C 3 - und C 4 -Pflanzen in den beteiligten Zelltypen dar.

Material 2: Zwei Typen der C 4 -Fotosynthese

Bei der Fotosynthese nutzen C 4 -Pflanzen unterschiedliche Stoffwechselwege, um das zuvor fixierte Kohlenstoffdioxid wieder freizusetzen und in den Calvin-Zyklus einzuspeisen. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Typen der C 4 -Fotosynthese unterschieden, von denen zwei in Abbildung 3 dargestellt sind.

Material 3: Die Wirkung von DCDP als Herbizid

Vor allem Beikräuter, die C 4 -Fotosynthese betreiben, vermindern den Ertrag von C 3 -Pflanzen, wie beispielsweise Weizen, Reis und Gerste. Herbizide sind Substanzen, die Beikräuter abtöten sollen. In einer Versuchsreihe wurde die Wirkung der Substanz DCDP auf die Aktivität der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) einer Pflanze, die C 4 -Fotosynthese betreibt, untersucht (Abb. 4). Das Enzym PEPC kommt auch in zahlreichen anderen Lebewesen wie Bakterien vor und ist an Stoffwechselvorgängen wie z. B. der Stickstofffixierung durch Knöllchenbakterien, die in Symbiose mit C 3 -Pflanzen leben, beteiligt. Die genaue Wirkungsweise von DCDP auf C 3 -Pflanzen wurde bisher noch nicht untersucht.

In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Wirkung von DCDP auf C 3 - und C 4 -Modellpflanzen untersucht. Dabei wurde eine DCDP-Lösung mit der Konzentration 1 mmol/L nach 8 Minuten sowohl zu Weizen als auch zu Rispenhirse hinzugefügt und die Fotosyntheserate der jeweiligen Pflanzen gemessen (Abb. 5).

In weiterführenden Versuchen wurde nach dem Entfernen von DCDP durch Wasser eine vollständige Regeneration der Fotosyntheserate bei C 4 -Pflanzen beobachtet. Bei C 3 -Pflanzen liegen dazu keine Untersuchungsergebnisse vor.

1

Benennen Sie die Bestandteile 1 bis 6 der Blattquerschnitte von Pflanze A und Pflanze B in Abbildung 1 (M 1).

Nr.

Bezeichnung des Bestandteils

1

2

3

4

5

6

Ordnen Sie Pflanze A und Pflanze B anhand von Abbildung 2 begründet einer C 3 - und C 4 -Pflanze zu (M 1).

2

Erläutern Sie die anatomischen und stoffwechselphysiologischen Angepasstheiten von C 4 -Pflanzen an ihre Standorte (M 1).

Leiten Sie die Auswirkungen von hohen Temperaturen und Trockenheit auf das Wachstum von C 3 -Pflanzen ab (M 1).

3

Stellen Sie tabellarisch die Unterschiede der beiden C 4 -Stoffwechseltypen hinsichtlich des Stofftransports und der Stoffumwandlung dar (M 2).

4

Fassen Sie die in den Abbildungen 4 und 5 dargestellten Untersuchungsergebnisse zusammen (M 3).

Leiten Sie anhand dieser Untersuchungsergebnisse die Wirkung der Substanz DCDP auf das Enzym PEPC und den Einfluss auf den C 4 -Stoffwechsel ab (M 1, M 3).

Aufgabenstellung: Aufgabe (1–4) – Fotosynthese · Abitur NRW Biologie LK · C3/C4-Pflanzen 2026

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

1 Benennen Sie Bestandteil 1 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: untere Epidermis

1 Benennen Sie Bestandteil 2 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: Bündelscheiden-Zelle

1 Benennen Sie Bestandteil 3 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: Mesophyll-Zelle

1 Benennen Sie Bestandteil 4 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: obere Epidermis

1 Benennen Sie Bestandteil 5 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: Palisadenparenchym

1 Benennen Sie Bestandteil 6 des Blattquerschnitts (M 1)

Lösung: Schwammparenchym

1 Ordnen Sie Pflanze A und Pflanze B einer C3- bzw. C4-Pflanze zu (M 1)

Lösung: Pflanze A: C4-Pflanze; Pflanze B: C3-Pflanze

1 Begründen Sie die Zuordnung von Pflanze A und Pflanze B anhand von Abbildung 2

Lösung: Pflanze A: C4-Pflanze, da das Enzym PEPC nur bei C4-Pflanzen CO2 vorfixiert. Pflanze B: C3-Pflanze, da PEPC nicht vorhanden ist und Rubisco direkt CO2 fixiert.

2 Erläutern Sie die anatomischen und stoffwechselphysiologischen Angepasstheiten von C4-Pflanzen an ihre Standorte und leiten Sie die Auswirkungen auf C3-Pflanzen ab (M 1)

Lösung: Erläutern: - Fotosynthese bei C4-Pflanzen in zwei verschiedenen Zelltypen (Kranzanatomie: räumliche Trennung). - In Mesophyllzellen Fixierung von CO2 mithilfe von PEPC. - PEPC besitzt eine hohe CO2-Affinität und ist in der Lage, pro Zeit mehr CO2 zu binden und für Rubisco in den Bündelscheidenzellen bereitzustellen. - Calvin-Zyklus läuft geschützt in den Bündelscheidenzellen ab (hohe CO2-Konzentration unterdrückt Photorespiration). - Bei hohen Temperaturen und Trockenheit ist Fotosynthese trotz geringer Öffnungsweite der Spaltöffnungen möglich -> reduzierter Wasserverlust durch Transpiration. Ableiten: - Bei hohen Temperaturen und Trockenheit schließen C3-Pflanzen ihre Stomata weitgehend zur Vermeidung von Wasserverlust. - Dadurch sinkt die CO2-Verfügbarkeit im Blattinneren drastisch -> Fotosynthese stark eingeschränkt bzw. Photorespiration steigt -> verringertes bis fehlendes Wachstum.

3 Stellen Sie tabellarisch die Unterschiede der beiden C4-Stoffwechseltypen hinsichtlich des Stofftransports und der Stoffumwandlung dar (M 2)

Lösung: | NADP-Typ | NAD-Typ | |---|---| | • OA-Transport in den Chloroplasten der Mesophyll-Zelle | • Umwandlung OA -> ASP in der Mesophyll-Zelle | | • Dort Umwandlung OA -> MAL unter Verbrauch von NADPH + H⁺ | | | • MAL-Transport in das Cytoplasma der Mesophyllzelle; von dort Transport in Bündelscheiden-Zelle | • ASP-Transport von Mesophyll-Zelle in das Mitochondrium der Bündelscheiden-Zelle | | • Anschließend MAL-Transport in Chloroplasten der Bündelscheidenzelle | | | • Umwandlung MAL -> Pyruvat unter Verbrauch von NADP⁺, dabei CO2-Abspaltung | • Umwandlung ASP -> OA -> MAL unter Verbrauch von NADH + H⁺ | | | • Umwandlung MAL -> Pyruvat unter Verbrauch von NAD⁺, dabei CO2-Abspaltung | | | • CO2-Transport in den Chloroplasten der Bündelscheiden-Zelle | | • Pyruvat-Transport aus dem Chloroplasten in das Cytoplasma der Bündelscheiden-Zelle | • Pyruvat-Transport vom Mitochondrium ins Cytoplasma der Bündelscheiden-Zelle |

4 Fassen Sie die Untersuchungsergebnisse zusammen und leiten Sie die Wirkung von DCDP auf PEPC und den C4-Stoffwechsel ab (M 1, M 3)

Lösung: Zusammenfassen: - M 3, Abb. 4: Die Aktivität der PEP-Carboxylase nimmt mit zunehmender DCDP-Konzentration ab. Bei höheren PEP-Konzentrationen (z. B. 5 mmol/L) nimmt die Aktivität der PEPC weniger stark ab als bei niedrigeren Konzentrationen (z. B. 0,4 mmol/L). - M 3, Abb. 5: Die Netto-Fotosyntheserate der C4-Pflanze Rispenhirse sinkt nach Zugabe von DCDP stark ab (von 100 % auf ca. 20 %). Der Einfluss auf die C3-Pflanze Weizen ist hingegen wesentlich geringer (Abfall lediglich auf ca. 60–65 %). Ableiten: - Da eine Erhöhung der Substratkonzentration (PEP) die Hemmwirkung von DCDP verringert, handelt es sich um eine kompetitive Hemmung des Enzyms PEP-Carboxylase (DCDP konkurriert mit PEP um das aktive Zentrum). - Die Hemmung der PEPC führt bei C4-Pflanzen zum Erliegen der CO2-Vorfixierung. Dadurch fehlt das CO2 für die Rubisco in den Bündelscheidenzellen -> die Glucose-Bildung im Calvin-Zyklus wird drastisch reduziert.

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