Wissenschaftler haben entdeckt, wie Pflanzenwurzeln in verdichteten Boden eindringen, indem sie ein bekanntes Ingenieurprinzip anwenden. Diese Erkenntnis könnte weitreichende Auswirkungen auf die zukünftige Pflanzenentwicklung haben, besonders in einer Zeit, in der der Druck auf landwirtschaftliche Flächen wächst.
Weltweit stellt die Bodenverdichtung eine zunehmend ernsthafte Herausforderung dar. Schweres Gerät und Maschinen in der modernen Landwirtschaft drücken den Boden so stark zusammen, dass es für Pflanzen schwierig wird zu wachsen. In vielen Regionen wird dieses Problem durch Dürre, die mit dem Klimawandel verbunden ist, noch verschärft.
Doch Pflanzen könnten einen Teil des Problems tatsächlich selbst lösen – mit ein wenig Unterstützung von uns. Es ist bereits bekannt, dass Pflanzen auf dichten, schwer durchdringbaren Boden reagieren, indem sie ihre Wurzeln verdicken. Bislang war jedoch unklar, wie sie dies genau bewerkstelligen, abgesehen von der Tatsache, dass das Pflanzenhormon Ethylen eine Schlüsselrolle spielt.
Jetzt haben Forscher den Mechanismus entschlüsselt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. „Da wir nun verstehen, wie Pflanzen ihre Wurzeln anpassen, wenn sie auf verdichteten Boden treffen, könnten wir sie dazu anregen, dies effektiver zu tun“, erklärt Staffan Persson, Professor an der Universität Kopenhagen und Seniorautor der Studie.
„Mit anderen Worten, die Wurzel verändert ihre Struktur gemäß einem grundlegenden Ingenieurprinzip: Je größer der Durchmesser eines Rohres und je stärker seine äußere Wand, desto besser kann es beim Eingraben in kompaktes Material dem Knicken widerstehen“, führt Bipin Pandey, Seniorautor und außerordentlicher Professor an der Universität Nottingham, aus.
Die Kombination aus Wurzelverdickung und einer verstärkten äußeren Schicht ermöglicht es der Wurzel, als eine Art biologischer Keil zu agieren, der sich durch den Boden hindurchdrängt. „Es ist faszinierend zu sehen, wie Pflanzen mechanische Konzepte aus dem Bauwesen und der Gestaltung nutzen, um biologische Herausforderungen zu lösen“, sagt Persson.
Die Studie zeigt auch, wie dieser Mechanismus verstärkt werden kann: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch die Erhöhung der Mengen eines bestimmten Proteins – eines Transkriptionsfaktors – die Wurzel besser in der Lage wird, kompakten Boden zu durchdringen. Mit diesem neuen Wissen können wir beginnen, die Wurzelarchitektur neu zu gestalten, um effizienter mit verdichtetem Boden umzugehen. Dies eröffnet neue Wege in der Pflanzenzüchtung“, erklärt die Erstautorin Jiao Zhang, Postdoktorandin an der Shanghai Jiao Tong Universität.
Obwohl die Experimente mit Reis durchgeführt wurden, glauben die Forscher, dass der Mechanismus auf viele Pflanzenarten anwendbar ist. Teile desselben Mechanismus wurden auch in Arabidopsis identifiziert, die evolutionär weit von Reis entfernt ist.
„Unsere Ergebnisse könnten helfen, Kulturen zu entwickeln, die besser ausgestattet sind, um in Böden zu wachsen, die durch landwirtschaftliche Maschinen oder klimabedingte Dürre verdichtet sind. Dies wird entscheidend für die zukünftige nachhaltige Landwirtschaft sein“, sagt Professor und Seniorautor Wanqi Liang von der Shanghai Jiao Tong Universität.
Die Arbeit eröffnet auch neue Chancen in der allgemeinen Pflanzenzüchtung. Das Team hat viele zusätzliche Transkriptionsfaktoren identifiziert, die als Schlüsselregulatoren der Zelluloseproduktion wirken – mit weitreichenden Folgen für die Form und Struktur von Pflanzen. Zum Beispiel könnte es möglich werden, Pflanzen mit unterschiedlichen Formen zu entwerfen, was bestimmten Kulturen zugutekommen könnte.
„Die von uns entdeckten Transkriptionsfaktoren sind eine Goldgrube für die Zellwandbiologie. Hier gibt es mehr als genug, um mich bis zur Rente zu beschäftigen“, schließt Persson.
Zu den mitwirkenden Institutionen gehören die Shanghai Jiao Tong Universität, die Universität Nottingham, die Universidad Argentina de la Empresa, das Nationale Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie, die Zhejiang-Universität, die Duke-Universität, die Ludwig-Maximilians-Universität und die Universität Kopenhagen.
Quelle: Universität Kopenhagen
