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Pflanzenwachstum im Untergrund

06.08.2019

Ein internationales Forscherteam um den Zellbiologen Assoc. Prof. Dr. Jürgen Kleine-Vehn von der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) hat herausgefunden, wie Pflanzen entscheiden ob sie ihr Wurzelsystem entweder tief oder flach in den Boden bohren. Sie konnten aufzeigen, dass zwei Pflanzenhormone für die Steuerung der Wuchsrichtung verantwortlich sind. Diese Grundlagenforschung könnte in Zukunft Lösungen für Bewässerungsprobleme oder unterirdische Konkurrenzen unter Nutzpflanzen liefern. Die Arbeit der Wissenschafter*Innen wurde soeben in der international renommierten Zeitschrift "Nature Communications" publiziert.

Nutzpflanzen zunehmend unter Hitze- und Trockenstress

Pflanzen liefern uns Nahrung, sind wichtige Sauerstofflieferanten und daher überlebenswichtig für uns Menschen. Unsere Nutzpflanzen sind jedoch einem immer intensiver werdenden Hitze- und Trockenstress ausgesetzt. Daher wird intensiv daran geforscht, wie das Wurzelsystem von Pflanzen an trockenere Umgebungen angepasst werden könnte.

Bereits Charles Darwin, dem Entdecker der modernen Evolutionstheorie, war von der pflanzlichen Verhaltenskunde fasziniert und schrieb zusammen mit seinem Sohn Francis ein Buch über Pflanzenwachstum (The power of movement in plants). So fiel ihnen zum Beispiel auf, dass der Spross nach oben und Wurzeln nach unten wachsen - was in der Wissenschaft als Ortho-Gravitropismus beschrieben wird. Auch folgerten sie, dass ein mobiler Botenstoff (das Pflanzenhormon Auxin) Wachstum regulieren kann. Hier schlagen die Wiener Forscher*Innen ein neues Kapitel auf und zeigen wie zwei Pflanzenhormone interagieren um die Wuchsrichtung in Wurzeln zu bestimmen.

Vom WWTF (Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefond) und FWF (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung) unterstützte Wissenschafter*Innen der Universität für Bodenkultur Wien haben jetzt herausgefunden, wie Pflanzen entscheiden ob sie ihr Wurzelsystem entweder radial oder axial in den Boden treiben. Das Forscher*Innenteam um Assoc. Prof. Dr. Jürgen Kleine-Vehn und Dr. Sascha Waidmann sind auch dem lange bekannten Botenstoff Auxin auf der Spur. Ihre Arbeit wurde soeben in der international renommierten Zeitschrift "Nature Communications" publiziert.

Tiefenwachstum vs. Flächenwachstum

Wurzeln wachsen auch noch in der modernen Forschung nach unten, es gibt aber doch feine Unterschiede. Die sogenannte Hauptwurzel wächst in der Tat meist nach unten und somit der Gravitation entgegen. Die Wurzel ist aber hochgradig verzweigt und die Seitenwurzeln kümmern sich scheinbar weniger um ein positiv gravitropisches Wachstum. Sie haben eine Wuchsrichtung die es ihnen erlaubt, sich von der Hauptwurzel zu entfernen. Aber auch in der Seitenwurzel gibt es den Botenstoff Auxin, der diesen Wurzeln anzeigt gravitropisch zu wachsen. Diese Antwort wird allerdings unterdrückt. Die im Vergleich zur Hauptwurzel veränderte Antwort erlaubt es Pflanzen sich überhaupt flächendeckend in ihrem Substrat auszudehnen. Die Wiener Forschung beschreibt auf zellulärer Ebene wie die Auxin-Antwort in der Spitze der Seitenwurzeln gezielt aufgehoben wird. Dabei kamen sehr aufwendige populationsgenetische, biochemische und mikroskopische Verfahren zur Anwendung.

Auxin und Cytokinin: Botenstoffe bestimmen Wachstumsrichtung

Der Botenstoff Auxin wird in Pflanzen von Zelle zu Zelle transportiert und die Menge vermittelt den Zellen wie stark sie wachsen sollen. Es entscheiden einige wenige Zellen in der Spitze der Wurzel wieviel vom Botenstoff Auxin entlang der Wurzelflanke entsendet wird. Solch spezialisierte Zellen verfügen über gravitropische Sensoren, die sogenannten Statolithen. Damit erkennen diese Wurzelhauben-Zellen in welcher Orientierung sich die Wurzelspitze befindet. Gibt die Wurzelhaube viel Botenstoff zu der unteren Wurzelflanke weiter, so wird das Wachstum auf dieser Seite vermindert. In der Hauptwurzel induziert dieser Mechanismus eine starke Krümmung der Wurzel und daher ein nach unten gerichtetes Wachstum. Konträr führt ein weiterer Botenstoff dazu, dass die Seitenwurzel weniger gravitropisch und verstärkt radial auswächst: Die sogenannten Cytokinine sind ebenfalls Pflanzenhormone und diese akkumulieren in Seitenwurzeln an der oberen Wurzelflanke, wo sie ebenfalls die Zellteilung und Zellstreckung inhibieren. Während Auxin die gravitropische Antwort forciert, wird von den Cytokininen ein anti-gravitropisches Signal vermittelt. Die Forscher*Innen konnten also zeigen, dass zwei Pflanzenhormone sich in Seitenwurzeln gegenseitig aufheben. Da diese besondere Verteilung von Cytokinin spezifisch in den Seitenwurzeln etabliert wird, wird auch die anti-gravitropische Wachstumsinhibierung nur speziell in den Seitenwurzeln etabliert und ermöglicht somit, dass sich diese Wurzeln weniger gravitropisch und horizontal ausbreiten.

Steuerbares Wurzelwachstum?

Mit diesem System kann ein bestimmtes Auxin und Cytokinin-abhängiges Entwicklungsprogramm entscheiden, ob das Wurzelsystem hauptsächlich parallel zur Oberfläche oder in die Tiefe wächst. Das Forscher*Innenteam vermutet, dass man über diesen Mechanismus ein Wurzelsystem stark beeinflussen könnte. Nutzpflanzen sind in ihrer Umgebungskompatibilität eingeschränkt und sehr häufig nicht heimisch. So wäre es z.B. möglich, Nutzpflanzen darauf zu trimmen, ihre Wurzeln tiefer in den Boden zu bringen. Damit könnten diese eventuell in wasserreichere Regionen eindringen und damit ihre Umgebung besser ausnutzen. In vielen Regionen ist die direkte Bodenoberfläche größtenteils zu trocken um gewisse Pflanzen nutzbar zu machen. Dies wird derzeit mittels aufwendiger Bewässerung ausgeglichen, die ständig gegen Verdunstung auf der Oberfläche ankämpfen muss. Auch könnten wissenschaftliche Erkenntnisse über Wurzelsysteme weltweit helfen um die Konkurrenz unter Nutzpflanzen im Boden zu verringern: Wurzelsysteme, die vornehmlich in die Tiefe wachsen, überkreuzen sich weniger mit den Nachbarn. Damit könnte der Abstand bestimmter Nutzpflanzen verringert werden und deren Ertrag pro Fläche gesteigert werden.

Publikation online: http://www.nature.com/ncomms/
doi:10.1038/s41467-019-11483-4.

Kontakt / Rückfragen:
Assoc. Prof. Dr. Jürgen Kleine-Vehn
BOKU Wien / Institut für
Angewandte Genetik und Zellbiologie
Tel.: 47654 6375
juergen.kleine-vehn@boku.ac.at
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