Bodenphysik Die Grenze pflanzlicher Saugkraft

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Ob eine Pflanze aus dem Boden genug Wasser aufnehmen kann, hängt weniger von der Pflanze ab, sondern vielmehr von der Physik des Bodens. Die Poren im Erdreich erschweren den Pflanzen das „trinken“. Das Tauziehen der Kapillarkräfte zwischen Boden und Pflanzen haben Forscher nun näher untersucht.

Pflanzen brauchen lediglich Wasser, Licht und Luft, um zu gedeihen. Während sie das Wasser aus dem Boden bis hoch in ihre Blätter befördern, trotzen sie der Schwerkraft. Diesen erstaunlichen Umstand umschreibt die Wissenschaft mit einem „negativen Wasserpotenzial“: eine Art Unterdruck, der es Kräutern, Sträuchern und Bäumen erlaubt, das Wasser aus dem Boden herauszuziehen.

Dennoch saugen Pflanzen nicht ständig Wasser aus dem Boden. Seit Jahrzehnten forschen Wissenschaftler daran, was die Saugkraft der Pflanzen begrenzt. Nun präsentiert das Team um Andrea Carminati, Prof. für Bodenphysik an der ETH Zürich, in einer Zusammenarbeit mit dem Pflanzenphysiologen Tim Brodribb von der University of Tasmania eine verblüffend einfache Antwort für dieses Rätsel: Wie stark die Pflanzen saugen können, hängt weniger von den Eigenschaften der Pflanzen selbst ab – als von der Art und Weise, wie das Wasser im Boden fließt.

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Kapillarkräfte in den Bodenporen

Der Großteil des Wassers im Boden befindet sich in verschieden großen Poren. Sie üben Kapillarkräfte aus, die das Wasser zurückhalten. „Wir Bodenphysiker haben große Fortschritte gemacht bei der Bestimmung des besten Zeitpunkts für die Bewässerung“, sagt ETH-Forscher Carminati. Wenn das Wasserpotenzial im Boden einen Schwellenwert von -1,5 Megapascal unterschreitet, sind Pflanzen nicht mehr in der Lage, ausreichend Wasser aufzunehmen. (Zum Vergleich: der Luftdruck beträgt durchschnittlich 0,1 MPa). In anderen Worten: „Wenn der Boden austrocknet, nehmen die Kapillar- und Viskositätskräfte in den Poren zu. Den Pflanzen fällt es immer schwerer, das Wasser aus dem Boden zu ziehen“, erklärt der Bodenphysik-Professor.

Aber wie nehmen die Pflanzen das Wasserpotenzial im Boden wahr – und wie passen sie ihren eigenen Unterdruck daran an? Für Antworten auf diese Fragen suchte Carminati die Zusammenarbeit mit Brodribb. Der Pflanzenphysiologe von der University of Tasmania ist Experte für den pflanzlichen Wasserhaushalt.

Mehr Hunger, weniger Durst

Auf der Blattunterseite besitzen Pflanzen spezielle Strukturen für den Gasaustausch: die so genannten Spaltöffnungen, auch Stomata genannt. Das sind kleine Klappen, die sich von den Pflanzen gesteuert öffnen und schließen. „Stomata sind wahnsinnig empfindlich“, sagt Brodribb. Sind sie offen, kann Kohlendioxid aus der Luft ins Blatt hineinströmen. Gleichzeitig entweicht Wasser als Dampf in die Atmosphäre.

Wenn eine Pflanze ihre Spaltöffnungen schließt, spart sie Wasser ein. So verdurstet sie nicht. Aber bei geschlossenen Stomata muss die Pflanze hungern, weil weniger Kohlendioxid in die Blätter gelangt und die Pflanze damit weniger neue Zuckermoleküle herstellen kann: Sie wächst langsamer. „Letztlich bestimmt das Verhalten dieser winzigen Klappen, wie viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biomasse von Landpflanzen gelangt“, sagt Brodribb.

Warum Pflanzen an trockenen Böden scheitern

Um das Wasser aus den Bodenporen zu saugen, betreibt die Pflanze einen beträchtlichen Aufwand. Beispielsweise sind die Zellwände der Röhren, durch die das Wasser im Stängel oder Stamm nach oben strömt, verdickt. „So halten sie dem negativen Wasserpotenzial stand und knicken nicht ein“, sagt Pflanzenphysiologe Brodribb. Weiter oben in den Blättern erzeugen gelöste Substanzen in den Pflanzenzellen einen osmotischen Druck, der es den Zellen ermöglicht, trotz des Unterdrucks in den benachbarten Gefäßen prall zu bleiben.

Die Agrarindustrie versuche seit langem, Pflanzen zu züchten, die mehr Salz in ihren Zellen speichern – in der Hoffnung, dass die Pflanzen dadurch mehr Wasser aus dem Boden aufnehmen können und besser mit Dürre auskämen, erzählt der Experte. Obwohl sehr viel Geld in solche Züchtungsprogramme geflossen sei, hätten sich die Hoffnungen nie verwirklicht. „Unsere Resultate erklären diesen Misserfolg: Der Flaschenhals liegt nicht in den Pflanzen, sondern im Boden“, bringt es Brodribb auf den Punkt.

Sich kreuzende Blickwinkel

ETH-Forscher Carminati betont, wie wichtig die interdisziplinäre Herangehensweise bei ihrem Forschungsvorhaben war. Als Bodenphysiker hätten er und sein Team den Blick zu Beginn unter die Erde und dann in der Zusammenarbeit mit Brodribb allmählich weiter nach oben gerichtet. „Die Physik der Kapillarität bestimmt nicht nur, wie stark sich die Bodenporen entleeren, sondern auch, was hoch oben in den Blättern geschieht“, sagt Carminati.

Brodribb hingegen verschob seine Sichtweise in die entgegengesetzte Richtung: Ausgehend von Untersuchungen an Pflanzenzellen rutschte der Fokus immer weiter nach unten – bis ans Ende der Wurzelspitzen. „Unsere Analyse mit den Modellrechnungen des Wasserpotenzials trägt in sehr grundlegender Weise zum Verständnis bei, wie Pflanzen funktionieren“, sagt er.

Originalpublikation: Carminati A, Javaux M, Wankmüller FJP, Brodribb TJ: Soils drive convergence in the regulation of vascular tension in land plants, Science 2026, 391: 476, DOI: 0.1126/science.adx8114

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