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Evolution des Wurzelwachstums

Wie die Wurzeln der Schwerkraft folgen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Pflanzen recken nicht nur ihre Triebe zielgerichtet gen Sonnenlicht – auch unter der Erde orientieren sie sich zuverlässig, um die Wurzeln tief in den Boden hineinwachsen zu lassen. Dazu nutzen Sie die Gravitation als Richtungsweiser. Forscher aus Österreich haben nun näher ergründet, wie die Pflanzen das machen und wie sich diese Fähigkeit entwickelt hat.

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Rechts: Keimling einer Samenpflanze mit normalem Wurzelwachstum bei intaktem Gravitropismus; links: Keimling mit deformierter Wurzel bei gestörtem Gravitropismus (PIN2-Mutation). Details: s. Text
Rechts: Keimling einer Samenpflanze mit normalem Wurzelwachstum bei intaktem Gravitropismus; links: Keimling mit deformierter Wurzel bei gestörtem Gravitropismus (PIN2-Mutation). Details: s. Text
(Bild: IST Austria – Yuzhou Zhang/Friml Gruppe)

Klosterneuburg/Österreich – Noch bevor die ersten Wirbeltiere das Land eroberten, fand ein anderer bedeutender Schritt in der Evolution des Lebens statt: Die Ausbreitung von Pflanzen vom Wasser auf das Land vor ungefähr 500 Millionen Jahren. Um sich in der neuen Umgebung behaupten zu können, mussten Pflanzenwurzeln jedoch eine neue Fähigkeit entwickeln, nämlich der Schwerkraft folgend nach unten zu wachsen – ein Phänomen, das auch unter dem Begriff Gravitropismus bekannt ist. Denn nur so war es ihnen möglich, sich fest im Boden zu verankern und an ausreichend Wasser und Nährstoffe zur Versorgung der oberirdischen Pflanzenteile zu gelangen.

Der dem Gravitropismus zugrundeliegende Prozess ist in Blütenpflanzen wie Arabidopsis thaliana sehr gut untersucht. Ein systematischer Vergleich über das gesamte Pflanzenreich hinweg und entsprechende Kenntnis über seine evolutionären Ursprünge fehlten jedoch bislang.

Selbst primitive Moose folgen der Schwerkraft – bloß langsamer

Nun gelang es Yuzhou Zhang und seinem Team am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), erstmalig einen Einblick in die Entstehung des Wurzelgravitropismus zu erlangen. Dazu ließen die Forscher die Wurzeln verschiedener Pflanzenarten unterschiedlichen evolutionären Alters – Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blühpflanzen – in waagrechter Position wachsen und beobachteten dabei, ob und wann die Wurzeln begannen, sich nach unten zu biegen, um der Schwerkraft zu folgen.

Das Ergebnis: Bereits in den primitivsten Landpflanzen, den Moosen, sowie den frühen Gefäßpflanzen, den Bärlappgewächsen und Farnen, fand von der Schwerkraft getriebenes Wurzelwachstum statt, allerdings nur in sehr rudimentärem Ausmaß und zudem sehr langsam. Erst Samenpflanzen (Nacktsamer und Blühpflanzen), die erstmalig vor rund 350 Millionen Jahren auftraten, zeigten ein schnelleres und damit viel effizienteres Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft.

Die Stärke der Gravitation

Aber welcher Entwicklungsschritt ermöglichte dieses rasche Reagieren auf die Schwerkraft? Durch die Analyse der einzelnen Phasen des Gravitropismus – von der Wahrnehmung der Schwerkraft über die Weiterleitung des gravitropen Signals bis zu den tatsächlichen Wachstumsvorgängen – stießen die Wissenschaftler auf zentrale Bausteine bzw. Prozesse, welche sich parallel entwickelten.

So gibt es für die Wahrnehmung der Schwerkraft in Pflanzen kleine Stärke-Päckchen in der Wurzelspitze. Die mit Stärkekörnern vollgepackten Pflanzenorganellen namens Amyloplasten sedimentieren der Gravitation folgend nach unten und geben so die Richtung für das Wurzelwachstum vor.

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Wie sich nun herausstellte, lagern sich die Amyloplasten in Folge dieses schon bekannten Sedimentationsprozesses jedoch ausschließlich in Nacktsamern und Blühpflanzen am untersten Ende der Wurzelspitze an. In früheren Pflanzen liegen die Amyloplasten hingegen mehr oder weniger zufällig im Wurzelgewebe verteilt vor und erfüllen damit nicht dieselbe sensorische Funktion wie in den Samenpflanzen.

Richtungsweisende PIN-Proteine

Nachdem die Amyloplasten die Richtung der Schwerkraft bestimmt haben, transportiert das Wachstumshormon Auxin das Schwerkraft-Signal von Zelle zu Zelle weiter. Mittels genetischer Analysen identifizierten die Wissenschaftler in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein spezifisches Transportermolekül namens PIN2, welches den Auxinfluss steuert und damit das Wurzelwachstum in die Wege leitet.

Während verschiedene PIN-Proteine im Großteil aller grünen Pflanzen vorkommen, zeigten die Versuche, dass nur das spezifische PIN2-Molekül zu einer Polarisierung der Zellen führt, indem es sich an der sprossseitigen Seite der Epidermiszellen anlagert. Diese Polarisierung wiederum ermöglicht den Transport von Auxin vom Ort der Schwerkraft-Wahrnehmung hin zur Wachstumszone.

Vision: Trockene Böden besser nutzen

Mit ihren Analysen der Wachstumsprozesse von Pflanzen gewannen die Wissenschaftler wichtige Einblicke in die Evolution des Phänomens des Wurzelgravitropismus und somit in einen der zentralen Anpassungsprozesse von Samenpflanzen an das Leben an Land.

Doch auch praktische Anwendungsmöglichkeiten lassen sich von den Ergebnissen der aktuellen Studie ableiten: „Wir beginnen nun zu verstehen, was Pflanzen brauchen, um sich fest im Boden zu verankern und Wasser und Nährstoffe in tieferen Schichten zu erreichen. Mit diesem Wissen können wir eines Tages vielleicht Methoden entwickeln, um zum Beispiel den Anbau von Nutzpflanzen auf sehr trockenen Böden zu erleichtern“, meint Zhang, der seit 2016 am IST Austria forscht. „Die Natur ist viel klüger als wir; es gibt so vieles, was wir von Pflanzen lernen können, was schlussendlich uns Menschen zugutekommen kann“, ergänzt er.

Originalpublikation: Yuzhou Zhang, Guanghui Xiao, Xiaojuan Wang, Xixi Zhang & Jiří Friml: Evolution of fast root gravitropism in seed plants, Nature Communications Volume 10, Article number: 3480 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11471-8

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