Erdboden ist ein mikroskopisches Labyrinth aus Ecken und Ritzen, das ein breites Spektrum an Leben enthält. Pflanzen erkunden diese Umgebung, indem sie ein komplexes, verzweigtes Netzwerk aus Wurzeln entwickeln, die knappe Ressourcen wie Wasser und Nährstoffe nutzbar machen. Bislang war unklar, wie Wurzeln wahrnehmen, welche Bodenregionen Wasser enthalten und welche Auswirkungen diese Feuchtigkeit auf die Architektur des Wurzelsystems hat.
Eine neue Forschungsarbeit eines Teams unter Leitung von José Dinneny von der Carnegie Institution konzentriert sich darauf, wie physikalische Eigenschaften der lokalen Umgebung einer Wurzel ihre Verzweigung kontrollieren und durch welche Wege diese Signale agieren. Die Ergebnisse, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, beschreiben einen neuen Prozess namens Hydropatterning (etwa: „Hydrostrukturierung“), der es Pflanzen erlaubt, die Wurzelverzweigung für die Wasseraufnahme zu optimieren.
Pflanzenwurzeln bilden ein sich verzweigendes Netzwerk mit lateralen Wurzeln aus, die aus einer Hauptachse herauswachsen. Weil Wasser im Erdboden nicht gleichmäßig verteilt ist, muss die Struktur der Wurzelsystemnetzwerke auf eine Art verändert werden, die die Bodenerkundung optimiert, während gleichzeitig das Wachstum in wasserarmen Regionen begrenzt wird.
Dinneny und sein Team entwickelten Methoden, um Wurzeln in Umgebungen wachsen zu lassen, in denen die Verteilung des Wassers und der Luft um die Wurzel hochgradig kontrolliert wurde. Durch die Analyse der Positionen, wo sich neue Wurzelzweige bildeten, stellten die Forscher fest, dass Pflanzen dazu tendieren, diese Wurzelzweige in enger Nähe zu wasserhaltigen Regionen zu platzieren, während winzige Wurzelhaare in Gebieten auftauchen, die der Luft ausgesetzt sind.
Ihre Arbeit offenbarte, dass gegenüberliegende Seiten derselben Wurzel dafür optimiert sind, Nutzen aus Luft- oder Wasserressourcen zu ziehen, wenn die Umgebung verändert wird. Bei der Zusammenarbeit mit den Kollegen Malcolm Bennett und Sacha Moony an der University of Nottingham wurde Mikroröntgentomografie verwendet, um dreidimensionale Modelle von wachsenden Wurzeln im Erdboden zu erschaffen. Die Untersuchungen enthüllten, dass in dieser natürlicheren Umgebung ähnliche Prozesse ablaufen.
„Wir hatten die räumliche Schärfe des Strukturierungssystems in den Wurzeln völlig unterschätzt. Es war faszinierend, zu entdecken, dass Wurzeln auf Umgebungsbedingungen reagieren können, die sich über eine Distanz von nur 100 Mikrometern verändern – das ist die Größe eines typischen Bodenpartikels“, sagte Dinneny.
Das Team bezeichnete das neue Phänomen als Hydropatterning und beobachtete es in verschiedenen Pflanzenarten, darunter in den wichtigen Getreidepflanzen Mais und Reis. Der Prozess wird durch Signalwege in der Pflanze gesteuert, die sich von den zuvor charakterisierten Trockenheitsreaktionen unterscheiden. Das spricht dafür, dass Hydropatterning wichtig für die Regulierung der Wurzelverzweigungen unter nicht belastenden Wachstumsbedingungen sein könnte.
„Diese einfache Beobachtung eröffnet uns ein ganz neues Forschungsgebiet“, sagte Dinneny. „Wie Pflanzenzellen zwischen feuchten und trockenen Umgebungen unterscheiden, ist ein wichtiges Gebiet, das zu einem besseren Verständnis führen könnte, wie Pflanzen das Wasser effizient nutzen.“
Quelle: http://carnegiescience.edu/news/water_found_provide_blueprints_root_architecture
(THK)
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