Studie zeigt, was Pflanzenwurzeln stärker wachsen lässt

Ein biologischer Mechanismus, der Menschen vertraut ist und der dazu beiträgt, dass Pflanzenwurzeln stärker werden. Die Entdeckung von Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen liefert eine Antwort auf eine lange unbeantwortete Frage und ein tieferes Verständnis des „Munds“ von Pflanzen, der zur Entwicklung klimaresistenter Nutzpflanzen beitragen kann.

Stellen Sie sich vor, Sie essen mit den Füßen und haben Ihren halben Körper unter der Erde. So ist das Leben der meisten Pflanzen, deren Wurzeln als Münder dienen, durch die sie essen und trinken. Wurzeln dienen auch dazu, Pflanzen zu verankern und sie vor Wind und Regen zu schützen. Tatsächlich sind Wurzeln für das Leben einer Pflanze unerlässlich.

Über das Pflanzenleben ist jedoch noch viel Unbekanntes bekannt. Wie groß und stark ihre Wurzeln sind, war schon lange umstritten, und es fehlen entscheidende Teile im Puzzle.

In einer kürzlich veröffentlichten neuen Studie teilen Forscher der Fakultät für Biologie der Universität Kopenhagen ihre Entdeckung, wie Pflanzen das Wurzelwachstum steuern.

Es stellt sich heraus, dass ein nützlicher Mechanismus zur Reinigung von Pflanzenzellen namens Autophagie eine Schlüsselrolle spielt. Der gleiche Mechanismus existiert beim Menschen und ist Teil eines beliebten Gesundheitstrends.

„Fasten ist populär geworden, weil es offenbar eine Reihe von gesundheitlichen Vorteilen für den Menschen hat, da Zeiten ohne Nahrung den Körper dazu veranlassen, einen Reinigungsprozess zu aktivieren, um verschiedene Abfallprodukte aus den Zellen zu entfernen. In unserer Studie haben wir bewiesen, dass derselbe Mechanismus, das auch im Pflanzenreich vorkommt, spielt eine entscheidende Rolle für die Fähigkeit der Pflanzenwurzeln, zu wachsen und Wasser und Nährstoffe für den Rest der Pflanze aufzunehmen“, erklärt Assistenzprofessor Eleazar Rodriguez von der Biologieabteilung, der die Studie leitete.

Wurzeln haben einen „Herzschlag“

Es ist seit langem bekannt, dass das Pflanzenhormon Auxin das Pflanzenwachstum, einschließlich des Wurzelwachstums, steuert. Auxin ist der Treibstoff für eine Art „Herzschlag“, der in jeder Wurzelspitze einer Pflanze schlägt. Ungefähr alle vier bis sechs Stunden erreichen der Auxinspiegel und die Herzfrequenz der Wurzeln einer Pflanze einen Höhepunkt, der zum Wachstum neuer Wurzeln führt.

„Die Bewegung einer Wurzel ist fast so, als würde man einer Schlange dabei zusehen, wie sie auf der Suche nach Wasser und Nahrung im Boden vorwärts schlängelt. Und wir können sehen, dass der Herzschlag jedes Mal lauter ist, wenn sich die Wurzel schlängelt“, erklärt Rodriguez.

Doch wie Pflanzen ihre Herzfrequenz steuern, um das Wurzelwachstum zu optimieren, bleibt eine unbeantwortete Frage. Hier kommt der anlageninterne Reinigungsmechanismus ins Spiel.

„In unseren Experimenten haben wir den Reinigungsmechanismus ausgeschaltet, um seine Bedeutung zu verstehen. Stellen Sie sich vor, alle Müllsammler in Kopenhagen würden streiken: Es würde nicht lange dauern, bis Müll die Straßen füllte. Das Gleiche passierte in Pflanzenzellen wie dem Herzschläge, die das Wurzelwachstum stimulieren, wurden viel schwächer und asynchron“, erklärt Rodriguez.

Daraus konnten die Forscher schließen, dass der Auffangmechanismus dazu beiträgt, die Konzentration verschiedener biochemischer Komponenten im perfekten Gleichgewicht zu halten, um ein möglichst effizientes Wurzelwachstum zu gewährleisten.

Kann zur Keimung neuer klimaresistenter Pflanzen beitragen

Neue Erkenntnisse über Pflanzenwurzeln könnten sich im Kampf gegen den Klimawandel als wichtig erweisen, sagen Forscher. Längere Dürre- und Überschwemmungsperioden sind eine neue Normalität, die erhöhte Anforderungen an die Lebensmittelsicherheit stellt. Also die Wurzeln der Nutzpflanzen, die auch unter diesen schwierigen Bedingungen wachsen können müssen.

„Heutzutage gibt es viele Methoden, um die genetischen Eigenschaften von Pflanzen zu verändern. Sie können dazu führen, dass Pflanzen schneller längere Wurzeln entwickeln und so resistenter gegen Dürren oder Überschwemmungen werden in Symbiose mit der Pflanze und kann dazu führen, dass die Pflanze ihr Wachstumsmuster ändert“, erklärt Ph.D. Jeppe Ansbøl, der Mitautor der Studie.

Das neue Wissen gelte für alle Blütenpflanzen und vielleicht noch mehr, so der Forscher. Im Prinzip könnten Nutzpflanzen wie Tomaten, Kartoffeln, Reis, Weizen und Mais so verändert werden, dass sie mehr und dichtere Wurzeln produzieren, da wir jetzt wissen, wie Pflanzen ihre Wurzeln wachsen lassen.

„Je mehr Wurzeln Pflanzen haben, desto mehr Wasser und Nährstoffe können sie aufnehmen, sodass sie besser und schneller wachsen können. Wir sind stark auf Pflanzen angewiesen, weil sie uns ernähren und CO2 extrahieren.₂ der Atmosphäre und produzieren den Sauerstoff, den wir atmen. Daher ist es äußerst wichtig, sie gut zu verstehen, und deshalb haben wir gerade einen großen Schritt nach vorne gemacht“, schließt Rodriguez.

Schlagen Sie gegen die Müllsammler der Zellen vor

Autophagie bedeutet „sich selbst fressen“ und ist ein Schlüsselmechanismus bei der Wurzelentwicklung von Pflanzen. Um die Bedeutung der Autophagie zu untersuchen, entwickelten die Forscher eine mutierte Arabidopsis-Pflanze (Ackerschmalwand), deren Autophagie deaktiviert war.

Gleichzeitig machten sie das ARF7-Protein lumineszierend, das Protein, das die Auxin-Reaktionen steuert und das von Pflanzenzellfressern gereinigt wird, um ein optimales Wurzelwachstum zu gewährleisten. Die Müllsammler der Fabrik sammeln den Abfall aus den Zellen und transportieren ihn zu einer Art Recyclingstation innerhalb der Fabrik, einer sogenannten Vakuole.

„Als wir die Autophagie der Pflanze störten, war überall Abfall und wir konnten das ARF7-Protein im Abfall nachweisen“, sagt Rodriguez.