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3D-Mikroskopie von Pflanzenzellen Wurzelwachstum im Video analysiert

| Autor/ Redakteur: Dr. Anke Sauter* / Christian Lüttmann

Pflanzen können zwar nicht zum Wasser laufen, sie lassen aber ihre Wurzeln zum Wasser hin wachsen. Wie dieser Prozess abläuft, haben Forscher nun mit hochauflösenden Mikroskopieaufnahmen gezeigt. Die Bilder zeigen die Entstehung neuer Seitenwurzeln und geben detaillierte Einblicke in den Verlauf des Wurzelwachstums.

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Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie, wie hier zur Untersuchung des Wurzelwachstums eingesetzt, beruht auf zwei Prozessen: 
 1) Seitliche Beleuchtung der Probe mit Laserlicht entlang einer Ebene.
 2) Detektion von Fluoreszenzlicht aus einem dünnen, um die Beleuchtungsebene zentrierten Volumen.
Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie, wie hier zur Untersuchung des Wurzelwachstums eingesetzt, beruht auf zwei Prozessen: 
 1) Seitliche Beleuchtung der Probe mit Laserlicht entlang einer Ebene.
 2) Detektion von Fluoreszenzlicht aus einem dünnen, um die Beleuchtungsebene zentrierten Volumen.
(Bild: Daniel von Wangenheim)

Frankfurt a.M. – Pflanzen suchen mit ihren Wurzeln nach Wasser. Während die Hauptwurzel in die Tiefe wächst, erkunden viele feine Seitenwurzeln den Boden in allen Richtungen. Wie das im Detail abläuft, haben Wissenschaftler aus Nottingham, Heidelberg und von der Goethe-Universität Frankfurt untersucht.

Dazu legten sie Wurzeln der Ackerschmalwand der Länge nach in eine Nährlösung. Die Wurzeln waren jedoch nicht ganz eingetaucht, sodass ihre Oberseite der Luft ausgesetzt war. Nun beobachteten sie mit einer hochauflösenden 3D-Mikroskop-Technik, wie sich die Wurzeln verzweigten.

Verzweigung in alle Richtungen, Wachstum in eine

In den Mikroskopieaufnahmen fiel auf, dass sich an der Luftseite fast ebenso viele Seitenwurzeln bildeten wie an der Kontaktseite mit der Nährlösung. Die Bildung von Seitenwurzeln fand also nicht bevorzugt in Richtung des Wassers statt. Mit dem Mikroskop verfolgten die Forscher das Wachstum der Seitenwurzeln mit jeder Zellteilung. Und hier zeigte sich die erwartete Zielstrebigkeit: Die neuen Zellen trieben die Wurzelspitze von Anfang an in Richtung Wasser. Hatte sich also eine Seitenwurzel an der Luftseite gebildet, machte sie schon mit den ersten Zellteilungen kehrt und wuchs in Richtung der Platte mit der Nährlösung aus Agar.

„Pflanzen verzweigen ihre Wurzeln also erst einmal in alle Richtungen, aber schon mit den ersten Zellteilungen weiß die Wurzel offenbar, wo sie Wasser und Nährstoffe findet“, fasst Daniel von Wangenheim die Ergebnisse zusammen, der die Mikroskopieversuche an der Goethe-Universität durchgeführt hatte. „So können Pflanzen flexibel auf eine Umgebung mit schwankenden Ressourcen reagieren.“

Zeitrafferaufnahmen wachsender Wurzeln

Das Ergebnis beruht auf vielen Stunden Filmmaterial, das mithilfe einer speziellen Lichtscheibenmikroskopie gewonnen wurde, die von Prof. Ernst Stelzer von der Goethe-Universität entwickelt worden ist. Wie die Wurzelverzweigung vonstattengeht, zeigt Stelzers ehemaliger Doktorand von Wangenheim in einem Erklärvideo mit Zeitrafferaufnahmen und Mikroskopiebildern des Wurzelwachstums:

Originalpublikation: Daniel von Wangenheim, Jason Banda, Alexander Schmitz, Jens Boland, Anthony Bishopp, Alexis Maizel, Ernst H. K. Stelzer and Malcolm Bennett: Early developmental plasticity of lateral roots in response to asymmetric water availability, Nature Plants (3 Februar 2020); DOI:10.1038/s41477-019-0580-z

* Dr. A. Sauter, J.-W.-Goethe Universität, 60325 Frankfurt a.M.

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