Kleines Eiweiß mit großer Wirkung

Signalsystem entdeckt, das steuert wie Pflanzen ihr Wurzelwachstum dem Nährstoffvorkommen anpassen

23.10.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzen sind darauf angewiesen, dass ihre Wurzeln ausreichend Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen. (Bildquelle: © iStock.com/ KateLeigh)
Pflanzen sind darauf angewiesen, dass ihre Wurzeln ausreichend Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen. (Bildquelle: © iStock.com/ KateLeigh)

Stickstoff ist für Pflanzen lebensnotwendig, im Boden aber nicht immer in ausreichender Menge verfügbar. Wissenschaftler haben herausgefunden, wie Pflanzen ihr Wurzelwachstum an stickstoffreichen Stellen ausdehnen, in stickstoffarmen Bereichen jedoch einstellen.

Stickstoff ist ein unverzichtbarer Nährstoff für Pflanzen, den sie über ihre Wurzeln aus dem Boden aufnehmen. Bei manchen Pflanzen sind daran auch Stickstoff-fixierende Mikroorganismen beteiligt. Im Boden liegt Stickstoff entweder in Form von Nitrat  (NO3) oder Ammoniumionen (NH4+) vor. Um ihn für ihren Stoffwechsel nutzbar zu machen, wandelt die Pflanze den aufgenommenen Stickstoff in Aminosäuren um.

Schwankende Stickstoffvorkommen machen Pflanzen erfinderisch

In unbehandelten Böden liegt ein Großteil des anorganischen Stickstoffs in Form von Nitrat vor, einem Produkt der mikrobiellen Nitrifikation. Der wichtige Nährstoff befindet sich allerdings nicht immer gleichmäßig verteilt in der näheren Umgebung der pflanzlichen Wurzeln. Manche kostbaren Vorräte spült der Regen weg, andere werden von benachbarten Pflanzen aufgenommen. Pflanzen haben daher ein ausgeklügeltes System entwickelt, wie sie schwankende Stickstoffvorkommen effizient ihrem Nährstoffbedarf entsprechend aus dem Boden aufnehmen können.

Ausgeklügeltes Informationssystem notwendig

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Hier abgebildet ist eine mikroskopische Vergrößerung der Wurzel der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana. In den Untersuchungen verstärkten die Pflanzen das seitliche Wurzelwachstum im dem Bereich, in dem viel Nitrat im Boden zur Verfügung stand.

Hier abgebildet ist eine mikroskopische Vergrößerung der Wurzel der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana. In den Untersuchungen verstärkten die Pflanzen das seitliche Wurzelwachstum im dem Bereich, in dem viel Nitrat im Boden zur Verfügung stand.

Bildquelle: © iStock.com/defun

Seit langem ist bekannt, dass Pflanzen ihre Wurzeln dort vermehrt wachsen lassen, wo ausreichend Stickstoff im Boden vorhanden ist. Fehlt der essentielle Nährstoff im Boden, stellt die Pflanze an dieser Stelle das Wurzelwachstum vorübergehend ein. Doch dazu benötigt die Pflanze ein Informationssystem, mit dem sie einerseits den Nitratgehalt im Boden erfassen und andererseits die Informationen darüber in ihrem gesamten Organismus verteilen und entsprechend reagieren kann.

Nitrat im Boden erkennen Pflanzen über ein lokal begrenztes, zellinternes Signalsystem, das durch Nitrat an- und abgeschaltet wird. Doch wie verbreitet die Pflanze die Information darüber, in welcher Wurzelregion besonders viel Nitrat zur Verfügung steht? Diese Frage konnten Wissenschaftler nun zumindest teilweise klären.

Kleine Peptide dienen als Signalmoleküle

Für ihre Untersuchungen teilten die Wissenschaftler den Wurzelbereich von Arabidopsis-Pflanzen in zwei Bereiche. Diesen Trick bezeichnen sie als Split-Experiment. Einen Teil versorgten sie mit ausreichend Nitrat, im anderen Teil gab es kein Nitrat im Nährmedium. Wie zu erwarten, verstärkte die Pflanze nun das seitliche Wurzelwachstum im dem Bereich, in dem viel Nitrat im Boden zur Verfügung stand.

Die Forscher konnten zeigen, dass dieser Prozess von dem Wurzelbereich ausgelöst wird, der nicht von stickstoffreicher Erde umgeben war. Von dort aus senden die Wurzeln Signalmoleküle in Form von kleinen Peptiden über weite Strecken an den pflanzlichen Spross. Dieser ist eine Art universelle Schaltstelle für den gesamten, pflanzlichen Organismus fungiert. Dort sitzen Rezeptormoleküle, Enzyme - Leucin-reiche Rezeptorkinasen (LRR-RKs), die diese kleinen Peptide empfangen. Das konnten die Wissenschaftler in Bindungsversuchen nachweisen. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ist an diesem Prozess eine Peptidfamilie (C-terminal codierende Peptide oder CEP) beteiligt, die aus 15 verschiedenen Peptiden besteht. Durch dieses Zusammenspiel nehmen Pflanzen wahr, wo genau ein Nitratmangel herrscht und wo nicht.

Abwärtssignal noch unbekannt

In einem nächsten Schritt sendet der Trieb nun ein Signal an denjenigen Wurzelbereich, von dem er keine Signalpeptide erhalten hat. Denn dort muss ja ausreichend Stickstoff vorhanden sein. Daraufhin beginnen die Wurzeln in diesem Bereich, sich seitlich auszudehnen, um so den Stickstoffbedarf der gesamten Pflanze decken zu können. Für die Verteilung schaltet die Pflanze bestimmte Gene an, die für Nitrat-Transporter codieren. Wie das Signal für die Transporter genau aussieht, sollen weitere Versuche klären.

Verschiedene Signalsysteme möglicherweise vernetzt

Die Wissenschaftler vermuten, dass sich der der beschriebene Mechanismus nicht nur auf die Nitrataufnahme beschränkt. „Es gibt hinreichende Hinweise darauf, dass Pflanzen das Vorkommen verschiedener benötigter Nährstoffe prüfen und dass diese Systeme irgendwie miteinander verbunden sind“, schreiben Forscher in einem Kommentar zur Publikation. Dabei weisen sie insbesondere auf die ebenfalls essentiellen Nährstoffe Phosphat und Schwefel hin. Sie vermuten, dass auch hier kleine Peptide als Signalmoleküle eine wichtige Rolle spielen könnten, wenn es für die Pflanze darum geht, ihre Wurzeln optimal an die vorhandenen Nährstoffe im Boden anzupassen.

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