Pflanzenforschung zeigt: Wurzeln legen ihren Wachstumskurs früh fest
Wenn eine neue Seitenwurzel entsteht, wählt sie einen bestimmten Wachstumswinkel. Nun wurden bestimmte Proteine (grün) identifiziert, die für die ersten Wachstumsentscheidungen der Wurzeln verantwortlich sind.
Die Wurzelarchitektur einer Pflanze ist mit entscheidend für ihre Fähigkeit, sich an Umweltbedingungen anzupassen. Den Grundstein für diese Architektur legen Seitenwurzeln, die von der Hauptwurzel abzweigen. Forschende der Universität Freiburg konnten nun zeigen, wie und wann die Wuchsrichtung neuer Seitenwurzeln festgelegt wird.
Dabei ist zentral, wie eine junge Wurzel Informationen über die Schwerkraft verarbeitet: In einem überraschend kurzen Zeitfenster von nur wenigen Stunden werden sensorische Sinneswahrnehmungen in langfristige architektonische Eigenschaften der Pflanze umgewandelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
Wann Wahrnehmung von Schwerkraft wirksam wird
„Uns interessierte nicht nur, wie Pflanzen Schwerkraft wahrnehmen", sagt Prof. Dr. Jürgen Kleine-Vehn, Sprecher des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies und Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Universität Freiburg. „Wir wollten verstehen, wann diese Information in der Entwicklung wirksam wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dies innerhalb eines eng begrenzten Entwicklungsfensters geschieht.“
Auf der Suche nach Nährstoffen und Wasser erschließen Pflanzen den Boden mit ganz unterschiedlichen Strategien. Manche Arten bilden tiefe Wurzelsysteme, um auch in Trockenperioden Wasser zu erreichen. Andere wachsen flacher und nutzen die nährstoffreichen oberen Bodenschichten besonders effizient. Wie ein Wurzelsystem aufgebaut ist, entscheidet damit maßgeblich darüber, wie stressresistent eine Pflanze auf ihre Umwelt reagiert.
Ein Protein als entscheidender Faktor
Jede neu entstehende Seitenwurzel wächst zunächst in einem definierten Winkel in den Boden. Diese Wuchsrichtung prägt die frühe Architektur des gesamten Wurzelsystems. Wie die Pflanze jedoch diese erste Wachstumsrichtung auswählt, war bislang unbekannt. Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forschenden die Schwerkraftwahrnehmung junger Seitenwurzeln.
Dabei identifizierten sie das Protein SHOOT GRAVITROPISM 9 (SGR9) als entscheidend für die Festlegung dieses Zeitfensters. Fehlt SGR9, nehmen junge Seitenwurzeln die Schwerkraft verzögert wahr – verlieren die Wahrnehmung jedoch nicht dauerhaft. Sie reagieren später weiterhin auf die Schwerkraft; der erste Wachstumskurs, den sie in ihrer frühen Entwicklungsphase einschlagen, fällt jedoch dauerhaft anders aus.
Sinneswahrnehmung wird zu stabiler Entwicklungsentscheidung
Forschende der Universität Freiburg haben den Wachstumsprozess junger Seitenwurzeln untersucht. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, Kulturpflanzen widerstandsfähiger gegenüber Stressfaktoren wie Trockenheit zu machen.
„Gerade das war für uns der entscheidende Befund“, erklärt Sophie Farkas, Doktorandin in der Arbeitsgruppe Kleine-Vehn und Erstautorin der Studie. „Wir müssen die Schwerkraftwahrnehmung in der Wurzel nicht ausschalten. Allein ihre zeitliche Verzögerung reicht aus, um den ersten stabilen Wachstumskurs einer Seitenwurzel dauerhaft zu verändern.“
Die Studie zeigt damit, dass für die Entwicklung einer Seitenwurzel nicht nur entscheidend ist, wie sie Umweltinformation wahrnimmt, sondern vor allem, wann sie diese verarbeitet. Während eines kurzen Entwicklungsfensters wird aus einer flüchtigen Schwerkraftwahrnehmung eine stabile Wachstumsentscheidung. Erst später übernehmen andere Mechanismen, mit denen Pflanzen die Richtung ihrer Wurzeln flexibel an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen können.
Allgemeines Prinzip der Entwicklungsbiologie
Die neuen Ergebnisse sind nicht nur für das bessere Verständnis der Wurzelbiologie interessant. Sie beschreiben vielmehr ein allgemeines Prinzip der Entwicklungsbiologie: Organismen müssen Umweltinformationen irgendwann in eine dauerhafte Form übersetzen. Wie die Freiburger Forschenden zeigen, nutzen Pflanzenwurzeln dafür ein klar definiertes Entwicklungsfenster.
Langfristig könnte dieses Wissen helfen, besser zu verstehen, wie unterschiedliche Wurzelarchitekturen entstehen und wie sie zur Anpassung von Kulturpflanzen an Trockenheit oder nährstoffarme Böden beitragen können.