Der Tod als Taktgeber

Programmierter Zelltod entscheidend für Wurzelwachstum

01.02.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wie Pflanzen Wurzeln bilden, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahren. Laufend befördern Studien Neues darüber ans Licht. (Bildquelle: © Rollingfrenzy/ wikimedia.org/ CC0)
Wie Pflanzen Wurzeln bilden, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahren. Laufend befördern Studien Neues darüber ans Licht. (Bildquelle: © Rollingfrenzy/ wikimedia.org/ CC0)

Die Anzeichen verdichten sich, dass der programmierte Zelltod eine wichtige Rolle im Wurzelwachstum spielt. Das Koordinationszentrum, so eine aktuelle Studie, liegt in der Wurzelspitze. Von hier aus geben Hormonsignale den Takt für das Wachstum der Wurzelhaube und der Seitenwurzeln vor.

Wenn Pflanzen Wurzeln schlagen, überlassen sie nichts dem Zufall, auch wenn dies in Animationen oder im Zeitraffer anders aussieht. Zahlreiche Studien belegen, dass Pflanzen nicht blind nach Wasser und Nährstoffen suchen, sondern gezielt vorgehen. Mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat ein internationales Forscherteam neue Erkenntnisse zur Koordination des Seitenwurzelwachstums ans Tageslicht befördert. Im Fokus: die Wurzelspitze der Modellpflanze Arabidopsis. Erst seit kurzem ist bekannt, dass sie über das Signal- und Wachstumshormon Auxin auch die Bildung der Seitenwurzeln koordiniert und der programmierte Zelltod dabei eine wichtige Rolle spielt. Neu ist die Erkenntnis, dass dieser maßgeblich den Takt vorgibt.

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Wenn der programmierter Zelltod wie ein Dirigent den Takt vorgibt, dann ist die Wurzelspitze sein Pult. Der hellere Bereich in der Wurzelspitze ist die Wurzelhaube (Kalyptra).

Wenn der programmierter Zelltod wie ein Dirigent den Takt vorgibt, dann ist die Wurzelspitze sein Pult. Der hellere Bereich in der Wurzelspitze ist die Wurzelhaube (Kalyptra).

Bildquelle: © Dr. phil.nat Thomas Geier, Fachgebiet Botanik der Forschungsanstalt Geisenheim/ wikimedia.org/ CC BY-SA 3.0

Facetten des programmierten Zelltods

Wenn bei Pflanzen vom Phänomen des Programmierten Zelltods (Apoptose) die Rede ist, dann meist als Schutz vor Feinden, Schädlingen oder sich selbst, wenn körpereigene Zellen nutzlos oder beschädigt sind. Somit handelt es sich beim genetisch angelegten Akt der Selbstzerstörung um einen aktiven und überlebenswichtigen Prozess.

Im Fokus steht hier jedoch eine andere Facette: Statt reaktiv zu wirken, kann Apoptose auch zur Entwicklung von Organismen und Organen (Morphogenese) beitragen, z.B. bei der Entwicklung menschlicher Embryos, bei der Rückbildung von Kaulquappenschwänzen oder eben in Pflanzenwurzeln.

Wurzelhaube im Visier

Ort des Geschehens ist die Wurzelhaube. Diese ist Schutzkappe, Sensor, Bohrer und Hort reger Zellaktivitäten zugleich. Frisch gebildete Zellen aus dem direkt benachbarten Vegetationsbereich drängen fortlaufend zur Spitze. Es gilt, die schützende Wurzelhaube permanent zu erneuern und das Längenwachstum der Wurzel zu unterstützen. Eine komplexe Kaskade von Abläufen, die noch immer nicht vollständig erforscht und verstanden ist.

Wie hängt alles zusammen?

Die Anzeichen verdichten sich, dass der programmierte Zelltod in diesem Zusammenhang die Rolle einer wichtigen Kontrollinstanz einnimmt, die dafür sorgt, dass Entwicklung und Wachstum von Wurzeln in geregelten Bahnen verlaufen. Dies schließt u.a. die optimale Größe der Wurzelhaube ebenso ein wie die Bildung von Seitenwurzeln. Doch wie hängen beide Prozesse zusammen, zumal sie zeitlich und örtlich getrennt ablaufen?

Erst seit kurzerZeit kennt man die Antwort: Auxin. Ein Wachstum- und Signalhormon, das in der Wurzelspitze gebildet wird und sich von dort im angrenzenden Wurzelgewebe verteilt. Es liefert nicht nur eine Erklärung für die wurzelinterne Kommunikation, sondern auch für die regelämßigen Abstände der Intervalle, in denen verstärkt Seitenwurzeln gebildet werden.

Lässt der programmierte Zellttod neue Wurzeln sprießen?

Die Forscher stellten fest, dass die Auxinkonzentration im Apoplast der Wurzelspitze (Zellzwischenräume inklusive Zellwände) steigt, sobald die umgebenden Wurzelzellen das Zelltodprogramm starten. Ein Vorgang, der sich unter normalen Bedingungen alle 4 Stunden wiederholt. Statt an Ort und Stelle zu bleiben beginnen die Auxine, im Gepäck von Auxin-Transporterproteinen (DR5) die Wurzelspitze zu verlassen und in Richtung Streckungszone zu wandern. Ein Vorgang, der etwa 18 Stunden dauert.

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Es sind nicht nur die oberirdischen Früchte von Nutzfplanzen, die uns interessieren. Auch Wurzelgemüse hat seinen festen Platz in unserer Ernährung.

Es sind nicht nur die oberirdischen Früchte von Nutzfplanzen, die uns interessieren. Auch Wurzelgemüse hat seinen festen Platz in unserer Ernährung.

Bildquelle: © Bo Jessen / wikimedia.org/ CC0

Versuche zeigten, dass sich neue Seitenwurzeln vorrangig im Nachgang auf diese Auxinschübe bilden, die durch Apoptose an der Wurzelspitze ausgelöst wurden. Dies bestätigen Analysen zu den Auxinmengen und Aktivitäten der DR5 Auxintransporter. Was nun noch fehlt, sind Beweise zu den molekularen Mechanismen. Hier zeigen sich die Forscher zuversichtlich, dass dies nur eine Frage der Zeit ist.

Optimierte Wurzelsysteme für mehr Effizienz

Die Erforschung der Mechanismen und Gesetze, wie Pflanzen Wurzeln bilden, ist nicht nur für Pflanzenforscher von Interesse, sondern auch für die Land- und Ernährungswirtschaft. Durch die Optimierung von Wurzelsystemen ließe sich die Wasser- und Nährstoffaufnahme, aber auch die Stabilität von Pflanzen verbessern. Fähigkeiten, die in Zeiten des Klimawandels, des Verlusts an Boden und Bodenqualität und der Erschließung neuer Landwirtschaftsflächen relevant sind. Zudem ließe sich durch die höhere Aufnahmeeffizienz der Ressourcenverbrauch senken. Zudem sind es bei zahlreichen Nutzpflanzen die Wurzeln selbst, die uns als Erntegut interessieren. Es besteht daher berechtigtes Interesse, das neue Wissen bald auch auf andere Pflanzen zu übertragen. 

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