Der eingebaute „Anti-Gravitations-Mechanismus“

Pflanzen haben einen gut ausgeprägten Orientierungssinn - sie wachsen unterirdisch mit und überirdisch gegen die Schwerkraft. Ein Phänomen, das Gravitropismus genannt wird und bereits gut untersucht ist. Nach wie vor ungeklärt ist ein anderes Phänomen: Wie gelingt es Pflanzen den Winkel ihrer Zweige und Seitenwurzeln genau einzustellen und gegen die Schwerkraft beizubehalten. Nun entdeckten Forscher einen „anti-gravitropen“ Mechanismus, der mit Hilfe des Wachstumshormons Auxin gesteuert wird. Die Position der Zweige und Wurzeln ist also ein Zusammenspiel gravitroper und anti-gravitroper Kräfte in der Pflanze.

Pflanzen unterscheiden sich stark in ihrem äußeren Erscheinungsbild. Einige wachsen hoch und alles an ihnen scheint nach oben zum Himmel zu streben, andere wachsen stark in die Breite. Ein anschauliches Beispiel für ganz unterschiedliche Wuchsformen sind Pappeln und Eichen: Die Äste von Pappeln wachsen fast vertikal und dicht am Stamm. Wogegen die Äste von Eichen teilweise fast im rechten Winkel zum Baumstamm wachsen. Aber nicht nur oberirdisch, auch die Wurzeln von Pflanzen verzweigen sich und wachsen in ganz unterschiedlichen Winkeln.

Die Schwerkraft hat ein Wörtchen mitzureden  

Dass Pflanzen ihr Wachstumsverhalten an Licht (Phototropismus) und die Schwerkraft anpassen, ist bekannt. Letzteres wird Gravitropismus genannt. Die Wurzeln streben dabei nach unten und ergeben sich der Erdanziehung, dies wird daher auch positiver Gravitropismus genannt. Der Spross wächst entgegen der Schwerkraft, was man entsprechend als negativen Gravitropismus bezeichnet. Diese Orientierungsleistung der Pflanze wird vor allem an Berghängen deutlich, wo Pflanzen trotz des schrägen Untergrunds aufrecht wachsen. Daran ist maßgeblich das Pflanzenhormon Auxin beteiligt.

Was aber bringt die Pflanzen dazu, ihre Zweige und Wurzeln in bestimmten charakteristischen Winkeln auszurichten und diesen Winkel trotz der Schwerkraft zu halten? Dafür untersuchte ein Forscherteam nun, wie die Pflanzen reagieren, wenn sie einmal nicht der normalen Schwerkraft ausgesetzt sind.

Es existiert ein „anti-gravitroper“ Mechanismus

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Dies testeten die Wissenschaftler mit Hilfe eines Klinostats, eines Geräts das die Pflanzen waagrecht rotiert und so die einseitige Schwerkraft quasi außer Kraft setzt. Als Versuchspflanze diente ihnen die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Forscher beobachteten, dass sich bei den Arabidopsis-Pflanzen die Seitentriebe von der Sprossachse bzw. die Seitenwurzeln von der Hauptwurzel weg bogen und zwar so, dass sie, wenn man die Pflanze wieder senkrecht stellt nach unten zeigen. Dieses Verhalten war bereits bekannt, allerdings wurde es in der Vergangenheit oft als Stressreaktion abgetan. Es wurde vermutet, dass dies durch das pflanzliche Hormon Ethylen verursacht wird. In einem nächsten Schritt testeten die Forscher, ob dies der Grund sein könnte. Aber auch Arabidopsis-Mutanten, die kein Ethylen produzieren konnten, zeigten dieses Verhalten.

Da die Schwerkraft als Faktor für dieses Wachstum wegfiel, schlossen die Wissenschaftler auf einen weiteren Wachstumsmechanismus, den sie „anti-gravitropen Ausgleichsmechanismus“ nannten. Dieser ist ein Gegengewicht zum gravitropen Wachstumsverhalten der Pflanzen. Das Zusammenspiel dieser konträren Kräfte sorgt letztlich für den bestimmten Winkel, den die Zweige und Seitenwurzeln einnehmen.

Bei Pflanzen, deren Zweige wie bei der Pappel dicht am Stamm bzw. der Sprossachse wachsen ist dieser anti-gravitrope Mechanismus schwach und bei Zweigen mit großem Winkel wie bei der Eiche ist diese Kraft stärker.  

Auch hier hat Auxin die Hände mit im Spiel

Da das Wachstumshormon Auxin für das gravitrope Wachstumsverhalten eine entscheidende Rolle spielt, testeten die Forscher, ob Auxin auch beim anti-gravitropen Verhalten beteiligt ist. Dazu nutzten sie denselben Versuchsaufbau (Klinostat); diesmal jedoch mit Pflanzen, bei denen gezielt der Auxin-Transportweg ausgeschaltet wurde. Die Pflanzen, die nicht in der Lage waren Auxin in den Zellen zu transportieren, bogen ihre Seitentriebe signifikant weniger weg von der Sprossachse, im Vergleich zu den intakten Kontroll-Pflanzen. Dasselbe Verhalten konnte auch bei den Seitenwurzeln beobachtet werden. Die Pflanzen ohne Auxin zeigten also nicht das Verhalten, dass bei den Versuchen zuvor auftrat. Dies untermauert, dass auch an diesem anti-gravitropen Prozess Auxin maßgeblich beteiligt ist.

Der praktische Nutzen

Die Forscher sehen ihre Forschungsergebnisse nicht nur als Grundlagenforschung an. Sie sehen auch einen praktischen Nutzen für die Züchtung. „Der Winkel mit dem die Pflanzen ihre Zweige und Seitenwurzeln ausrichten, ist außerordentlich wichtig für die Anpassung an ihre Umwelt, denn er bestimmt die Fähigkeit essentielle Ressourcen wie Nährstoffe sowohl ober- als auch unterirdisch aufzunehmen. Je nachdem auf welchem Boden eine Pflanze wächst, könnte es vorteilhaft sein, in den oberen oder unteren Bodenschichten nach Nährstoffen zu suchen. Ebenso über der Erde, hier kann es z.B. von Vorteil sein, eher steil wachsende Äste zu haben, um nicht im Schatten benachbarter Bäume zu stehen“, erläutert Dr. Stefan Kepinski, Erstautor der Studie. Könnte man den charakteristischen Winkel der Seitentriebe und –wurzeln gezielt verändern, dann kann man Pflanzen züchten, die an die Umweltgegebenheiten besser angepasst sind.

Bereits seit mehreren Jahren wird die gezielte Veränderung der Pflanzenarchitektur als eines der zentralen Forschungsgebiete angesehen. Auch die uns vertrauten Nutzpflanzen sind durch Mutationen so in ihrem Aufbau verändert worden, dass sie sich im Gegensatz zu ihren wilden Verwandten für einen Anbau auf dem Feld eignen. Auch zukünftig können Nahrungs- und Nutzpflanzen weiter optimiert werden, so die Forscher. Durch beispielsweise eine verbesserte Nährstoffaufnahme aus dem Boden oder eine bessere Photosyntheseleistung der grünen oberirdischen Pflanzenteile lassen sich höhere Erträge erzielen. Neu adaptierte Nutzpflanzen können sich besser als bisherige Kulturpflanzen an veränderte Umweltbedingungen anpassen oder eignen sich gar für neue Verwendungsmöglichkeiten.