Gymnosperm-Pflanzen

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Eine Gymnospermenpflanze ist jede Gefäßpflanze, die sich mittels eines exponierten Samens oder einer Eizelle reproduziert, im Gegensatz zu Angiospermen oder Blütenpflanzen, deren Samen von reifen Eierstöcken oder Früchten umschlossen sind.

Die Samen vieler Gymnospermen (wörtlich «nackte Samen») werden in Zapfen getragen und sind bis zur Reife nicht sichtbar.

Wichtige Punkte zu Gymnospermen

Gymnospermen sind nicht blühende Pflanzen, die Samen produzieren. Sie gehören zur Unterkategorie Embophyta.
Der Begriff «Gymnosperm» bedeutet wörtlich «nackter Samen». Dies liegt daran, dass die von Gymnospermen produzierten Samen nicht in einem Eierstock eingeschlossen sind. Stattdessen werden Gymnosperm-Samen auf der Oberfläche von blattähnlichen Strukturen, den sogenannten Hochblättern, freigelegt.
Die vier Hauptabteilungen der Gymnospermen sind Coniferophyta, Cycadophyta, Ginkgophyta und Gnetophyta.
Gymnospermen kommen normalerweise in gemäßigten und borealen Waldbiomen vor. Die häufigsten Arten von Gymnospermen sind Nadelbäume, Palmfarne, Ginkgos und Gnetophyten.

Was sind Gymnospermen-Pflanzen?

Gymnospermen sind eine Gruppe samenproduzierender Pflanzen, zu denen Nadelbäume, Palmfarne, Ginkgo und Gnetophyten gehören, die die Klade Gymnospermae bilden, deren lebende Mitglieder auch als Acrogymnospermae bekannt sind.

Der Begriff Gymnosperm kommt vom zusammengesetzten griechischen Wort: γυμνόσπερμος (γυμνός, gymnos, „nackt“ und σπέρμα, sperma, „Samen“), was wörtlich „nackte Samen“ bedeutet. Der Name basiert auf dem offenen Zustand ihrer Samen (im unbefruchteten Zustand Eizellen genannt).

Der offene Zustand ihrer Samen steht im Gegensatz zu den Samen und Samenanlagen von Blütenpflanzen (Bedecktsamern), die in einem Fruchtknoten eingeschlossen sind. Gymnosperm-Samen entwickeln sich auf der Oberfläche von Schuppen oder Blättern, die oft modifiziert werden, um Zapfen zu bilden, oder einzeln wie bei Eibe, Torreya und Ginkgo.

Sie haben eine dominante diploide sporophytische Phase und eine von der sporophytischen Phase abhängige reduzierte haploide gametophytische Phase.

Gymnospermen und Angiospermen bilden zusammen die Spermatophyten oder Samenpflanzen. Gymnospermen werden in fünf Abteilungen unterteilt, von denen vier, die Cycadophyta, die Ginkgophyta, die Gnetophyta und die Pinophyta (auch als Coniferophyta bekannt), noch vorhanden sind, während die Pteridospermatophyta ausgestorben sind.

Die größte Gruppe lebender Gymnospermen sind Koniferen (Kiefern, Zypressen und Verwandte), gefolgt von Palmfarnen, Gnetophyten (Gnetum, Ephedra und Welwitschia) und Ginkgo biloba (eine einzige lebende Art). Etwa 65% der Gymnospermen sind zweihäusig, aber Nadelbäume sind fast alle einhäusig.

Einige Gattungen haben Mykorrhiza, Pilzassoziationen mit den Wurzeln (Pinus), während bei einigen anderen (Cycas) kleine spezialisierte Wurzeln, die Hirschhornwurzeln genannt werden, mit stickstofffixierenden Cyanobakterien assoziiert sind.

Botaniker und Biologen erkennen vier unterschiedliche Unterteilungen vorhandener (nicht ausgestorbener) Gymnospermen-Pflanzen – Pinophyta, Cycadophyta, Ginkgophyta und Gnetophyta – mit 88 Gattungen und mehr als 1.000 Arten, die auf der ganzen Welt verbreitet sind.

Hast Du gewusst…?Gymnospermen-Pflanzen dominierten das Mesozoikum (vor 252,2 bis 66 Millionen Jahren), eine Zeit, in der einige der modernen Familien (Pinaceae, Araucariaceae, Cupressaceae) entstanden.

Obwohl Gymnospermen seit der Kreidezeit (vor etwa 145 Millionen bis 66 Millionen Jahren) allmählich von den jünger entwickelten Angiospermen verdrängt wurden, sind sie in vielen Teilen der Welt weiterhin erfolgreich und besetzen große Bereiche der Erdoberfläche.

Nadelwälder bedecken beispielsweise weite Regionen der nördlichen gemäßigten Länder, und Gymnospermen wachsen typischerweise in nördlicheren Breiten als Angiospermen.

Eigenschaften von Gymnospermen-Pflanzen

In allen Gruppen lebender Gymnospermen repräsentiert der sichtbare Teil des Pflanzenkörpers (dh der Stängel und die wachsenden Zweige) eher die Sporophyten- oder asexuelle Generation als die Gametophyten- oder sexuelle Generation.

Normalerweise hat ein Sporophyt einen Stamm mit Wurzeln und Blättern und trägt die Fortpflanzungsstrukturen.

Als Gefäßpflanzen enthalten Gymnospermen zwei leitfähige Gewebe, das Xylem und das Phloem. Das Xylem leitet Wasser und Mineralien von den Wurzeln zum Rest der Pflanze und bietet auch strukturelle Unterstützung.

Das Phloem verteilt die in den Blättern hergestellten Zucker, Aminosäuren und organischen Nährstoffe an die nicht -photosynthetischen Gewebe der Pflanze.

Bei den meisten Gymnospermen enthalten die männlichen Pollenkegel, die sogenannten Mikrostrobes, reduzierte Blätter, die Mikrosporophylle genannt werden. Mikrosporangien oder Pollensäcke werden auf den unteren Oberflächen von Mikrosporophyllen getragen. Die Anzahl der Mikrosporangien kann von zwei bei vielen Nadelbäumen bis zu Hunderten bei einigen Palmfarnen variieren. Innerhalb der Mikrosporangien befinden sich Zellen, die sich einer meiotischen Teilung unterziehen, um haploide Mikrosporen zu produzieren.

Die Gametophytenphase beginnt, wenn die Mikrospore, während sie sich noch im Mikrosporangium befindet, zu keimen beginnt, um den männlichen Gametophyten zu bilden. Ein einzelner Mikrosporenkern teilt sich durch Mitose, um einige wenige Zellen zu produzieren. In dieser Phase bricht der männliche Gametophyt (Pollenkorn genannt) ab und wird vom Wind oder von Insekten getragen.

Die weiblichen Eizapfen, Megastrobiles genannt, können auf derselben Pflanze geboren werden, die die Mikrostrobiles trägt (wie bei Nadelbäumen) oder auf separaten Pflanzen (wie bei Palmfarnen und Ginkgo).

Ein Megastrobilus enthält viele Schuppen, Megasporophylle genannt, die Megasporangien enthalten. Innerhalb jedes Megasporangiums durchläuft eine einzelne Zelle eine meiotische Teilung, um vier haploide Megasporen zu produzieren, von denen drei normalerweise degenerieren.

Die verbleibende Megaspore wird einer Mitose unterzogen, um den weiblichen Gametophyten zu bilden. Wenn sich die Anzahl freier Kerne vervielfacht, dehnen sich das Megasporangium und die Megasporenwand aus. In dieser Phase ist das Ei bereit, befruchtet zu werden.

Bevor jedoch eine Befruchtung stattfinden kann, muss der reife männliche Gametophyt (das Pollenkorn) zum weiblichen Gametophyten transportiert werden: der Prozess der Bestäubung. Bei vielen Gymnospermen sickert ein klebriger „Bestäubungstropfen“ aus einem kleinen Loch im weiblichen Megasporangium, um Pollenkörner einzufangen.

Das Tröpfchen wird zur Befruchtung wieder in das Megasporangium aufgenommen. Bei anderen Arten wird das Pollenkorn auf der Oberfläche des Megasporangiums abgelagert, wo sich der männliche Gametophyt weiter entwickelt.

Ein Pollenschlauch tritt aus dem Korn hervor und wächst durch das Megasporangium in die vielzellige Struktur, die die Eizelle enthält, das sogenannte Archegonium. Das Ei und das Sperma reifen weiter, wobei der Kern des Spermas zusätzliche Teilungen durchläuft, die zwei männliche Gameten oder Spermien hervorbringen.

Hast Du gewusst…?Interessanterweise sind Palmfarne und Ginkgo die einzigen Samenpflanzen, die Flagellatenspermien haben. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Pollenschlauch das Archegonium erreicht, sind sowohl das Ei als auch das Sperma vollständig ausgereift und das Ei ist bereit, befruchtet zu werden.

Wenn bei Nacktsamern die Kerne der beiden Samenzellen auf die Eizelle treffen, stirbt einer der Kerne und der andere verbindet sich mit dem Kern der Eizelle, um eine diploide Zygote zu bilden. Die befruchtete Eizelle wird einer Mitose unterzogen, um die Entwicklung einer neuen Generation von Sporophyten, dem vielzelligen Embryo des Samens, einzuleiten.

Nahrung für den sich entwickelnden Embryo wird von dem riesigen, stärkehaltigen weiblichen Gametophyten bereitgestellt, der ihn umgibt. Das Zeitintervall zwischen Bestäubung und Reifung des Embryos zu einer neuen Generation von Sporophyten variiert zwischen verschiedenen Gruppen.

Koniferophyta

Die Sparte Coniferophyta umfasst die Nadelbäume, die unter den Nacktsamern die größte Artenvielfalt aufweisen. Die meisten Nadelbäume sind immergrün (sie behalten das ganze Jahr über ihre Blätter) und umfassen einige der größten, höchsten und ältesten Bäume der Erde.

Zum Beispiel:Beispiele für Nadelbäume sind Kiefern, Mammutbäume, Tannen, Hemlocktannen und Fichten. Nadelbäume sind eine wichtige wirtschaftliche Quelle für Holz und Produkte wie Papier, die aus Holz hergestellt werden. Das Holz von Gymnospermen gilt als Weichholz, im Gegensatz zum Hartholz einiger Angiospermen.

Das Wort Nadelbaum bedeutet «Kegelträger», ein Unterscheidungsmerkmal, das allen Nadelbäumen gemeinsam ist.

Zapfen beherbergen die männlichen und weiblichen Fortpflanzungsstrukturen von Nadelbäumen. Die meisten Nadelbäume sind einhäusig, was bedeutet, dass sowohl männliche als auch weibliche Zapfen auf demselben Baum zu finden sind.

Ein weiteres leicht erkennbares Merkmal von Nadelbäumen sind ihre nadelförmigen Blätter. Die verschiedenen Familien der Nadelbäume wie Pinaceae (Kiefern) und Cupressaceae (Zypressen) unterscheiden sich durch die Art ihrer Blätter.

Kiefern haben einfache, nadelartige Blätter oder Büschel entlang des Stammes.

Zypressen haben flache, schuppige Blätter entlang des Stammes. Koniferen der Gattung Agathis haben dicke, elliptische Blätter, und die der Gattung Nageia haben breite, flache Blätter.

Nadelbäume sind auffällige Mitglieder des Waldbioms der Taiga und haben Anpassungen für das Leben in der kalten Umgebung borealer Wälder. Die hohe, dreieckige Form der Bäume lässt Schnee leichter von den Ästen lösen und verhindert, dass sie unter dem Gewicht des Eises brechen.

Nadelblättrige Koniferen haben auch eine wachsartige Beschichtung auf der Blattoberfläche, um Wasserverlust bei trockenem Wetter zu verhindern.

Cycadophyta

Die Cycadophyta-Abteilung der Gymnospermen umfasst die Palmfarne. Palmfarne kommen in tropischen Wäldern und subtropischen Regionen vor. Diese immergrünen Pflanzen haben eine federartige Blattstruktur und lange Stängel, die die großen Blätter über den dicken, holzigen Stamm verteilen.

Palmfarne mögen auf den ersten Blick Palmen ähneln, sind aber nicht verwandt.

Diese Pflanzen können viele Jahre leben und haben einen langsamen Wachstumsprozess. Die Königs-Sago-Palme zum Beispiel kann bis zu 50 Jahre brauchen, um 3 Meter zu erreichen.

Im Gegensatz zu vielen Nadelbäumen produzieren Palmfarne nur männliche Zapfen (produzieren Pollen) oder weibliche Zapfen (produzieren Eizellen). Zapfenproduzierende Palmfarne produzieren nur dann Samen, wenn sich ein Männchen in der Nähe befindet. Palmfarne verlassen sich hauptsächlich auf Insekten zur Bestäubung, und die Tiere helfen bei der Verbreitung ihrer großen, farbenfrohen Samen.

Cycad-Wurzeln werden von den photosynthetischen Bakterien Cyanobakterien besiedelt.

Diese Mikroben produzieren bestimmte Gifte und Neurotoxine, die sich in den Samen der Pflanze anreichern. Es wird angenommen, dass die Toxine einen Schutz gegen Bakterien und Pilzparasiten bieten. Cycad-Samen können für Haustiere und Menschen gefährlich sein, wenn sie eingenommen werden.

Ginkgophyta

Ginkgo biloba sind die einzigen überlebenden Pflanzen der Ginkgophyta-Abteilung der Gymnospermen.

Heute sind natürlich wachsende Ginkgo-Pflanzen einzigartig in China. Ginkgos können Jahrtausende alt werden und zeichnen sich durch ihre sommergrünen, fächerförmigen Blätter aus, die sich im Herbst gelb färben. Ginkgo biloba sind ziemlich groß, wobei die höchsten Bäume 50 Meter erreichen.

Sie sind alte Bäume und haben dicke Stämme sowie tiefe Wurzeln.

Ginkgos gedeihen in gut sonnigen Gebieten, die viel Wasser erhalten und einen gut durchlässigen Boden haben. Wie Palmfarne produzieren Ginkgo-Pflanzen männliche oder weibliche Zapfen und haben Spermien, die Flagellen verwenden, um zum Ei im weiblichen Ei zu schwimmen.

Diese langlebigen Bäume sind resistent gegen Feuer, Schädlinge und Krankheiten und produzieren Chemikalien, die als medizinisch wertvoll gelten, darunter verschiedene Flavinoide und Terpene mit antioxidativen, entzündungshemmenden und antimikrobiellen Eigenschaften.

Gnetophyta

Die Gymnospermen-Division Gnetophyta hat eine kleine Anzahl von Arten (65), die in drei Gattungen vorkommen: Ephedra, Gnetum und Welwitschia. Viele der Arten der Gattung Ephedra sind Sträucher, die in den Wüstenregionen Amerikas oder im kühlen Hochland des Himalaya-Gebirges in Indien zu finden sind.

Einige Arten von Ephedra haben medizinische Eigenschaften und sind die Quelle des abschwellenden Medikaments Ephedrin. Ephedra-Arten haben schlanke Stängel und schuppenartige Blätter.

Gnetum-Arten enthalten einige Sträucher und Bäume, aber die meisten sind holzige Reben, die um andere Pflanzen ranken. Sie bewohnen tropische Regenwälder und haben breite, flache Blätter, die denen von Blütenpflanzen ähneln.

Die männlichen und weiblichen Fortpflanzungskegel befinden sich auf getrennten Bäumen und ähneln oft Blumen, obwohl sie es nicht sind. Auch die Struktur des Gefäßgewebes dieser Pflanzen ähnelt der von Blütenpflanzen.

Welwitschia hat nur eine Art, Welwitschia mirabilis. Diese Pflanzen leben nur in der afrikanischen Wüste Namibias. Sie sind insofern sehr ungewöhnlich, als sie einen großen Stamm haben, der tief am Boden bleibt, zwei große, sich wölbende Blätter, die sich beim Wachsen in andere Blätter teilen, und eine große, tiefe Pfahlwurzel.

Diese Pflanze kann der extremen Hitze der Wüste mit Höchsttemperaturen von 50°C sowie dem Wassermangel (1-10 cm pro Jahr) standhalten. Die männlichen Zapfen von W. mirabilis sind hell gefärbt, und sowohl die männlichen als auch die weiblichen Zapfen enthalten Nektar, um Insekten anzulocken.

Lebenszyklus von Gymnosperm

Im Lebenszyklus von Gymnospermen wechseln sich Pflanzen zwischen einer sexuellen Phase und einer asexuellen Phase ab.

Diese Art des Lebenszyklus wird als Generationenwechsel bezeichnet. Die Produktion von Gameten erfolgt in der sexuellen Phase oder gametophytischen Generation des Zyklus. Sporen werden in der asexuellen Phase oder sporophytischen Generation produziert.

Im Gegensatz zu nicht-vaskulären Pflanzen ist die dominierende Phase des Lebenszyklus von Gefäßpflanzen die sporophytische Generation.

Bei Gymnospermen wird der Pflanzensporophyt als der Großteil der Pflanze erkannt, einschließlich der Wurzeln, Blätter, Stängel und Zapfen. Pflanzensporophytenzellen sind diploid und enthalten zwei vollständige Chromosomensätze.

Der Sporophyt ist für die Produktion haploider Sporen durch den Prozess der Meiose verantwortlich. Bei vollständigem Chromosomensatz entwickeln sich die Sporen zu haploiden Gametophyten. Die Gametophyten der Pflanze produzieren männliche und weibliche Gameten, die sich bei der Bestäubung vereinigen, um eine neue diploide Zygote zu bilden.

Die Zygote reift zu einem neuen diploiden Sporophyten heran, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird. Gymnospermen verbringen den größten Teil ihres Lebenszyklus im Sporophytenstadium, und die Gametengeneration ist für das Überleben vollständig von der Sporophytengeneration abhängig.

Reproduktion von Gymnospermen

Die weiblichen Gameten (Megasporen) werden in gametophytischen Strukturen namens Archegonia produziert, die sich in den Ovulationskegeln befinden. Männliche Gameten (Mikrosporen) werden in Pollenkegeln produziert und entwickeln sich zu Pollenkörnern.

Einige Arten von Gymnospermen haben männliche und weibliche Zapfen auf demselben Baum, während andere Bäume haben, die separate männliche oder weibliche Zapfen produzieren. Damit die Bestäubung stattfinden kann, müssen die Gameten miteinander in Kontakt kommen. Dies geschieht meist durch Wind, Tiere oder Insekten.

Die Befruchtung bei Gymnospermen erfolgt, wenn Pollenkörner mit der weiblichen Eizelle in Kontakt kommen und keimen.

Die Spermien gehen zum Ei im Inneren des Eies und befruchten es. Bei Nadelbäumen und Gnetophyten haben Spermien keine Flagellen und müssen die Eizelle erreichen, indem sie einen Pollenschlauch bilden. Bei Palmfarnen und Ginkgos schwimmen geißelte Spermien auf das Ei zu, um es zu befruchten.

Nach der Befruchtung entwickelt sich die resultierende Zygote innerhalb des Gymnosperm-Samens und bildet einen neuen Sporophyten.