Dicke Bäume, fette Rüben

Nahezu 150 Jahre diskutierten Biologen über das Breitenwachstum von Pflanzen. Die Mechanismen und die Lokalisation der Stammzellen, die für die Jahresringe in Baumstämmen verantwortlich sind, waren bisher nicht bekannt. Wissenschaftler konnten das Geheimnis nun lüften.

Deutschlands höchster Baum ist eine Douglasie (Pseudotsuga menziesii). Sie misst etwa 67 Meter und steht im Mühlenwald bei Freiburg. Der höchste Baum der Welt ist ein Küstenmammutbaum (Sequoia sempervirens), wächst im Redwood-Nationalpark in Kalifornien (USA) und ist stolze 115,55 Meter hoch. Um Wind und Wetter in solchen Höhen zu trotzen, brauchen Bäume sowohl einen stabilen Stamm als auch ein fest verankertes Wurzelwerk im Boden.

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Breitenwachstum findet meist lebenslang statt

Das Breitenwachstum unterstützt Pflanzen physisch, liefert Alltagsgegenstände wie Holz und Kork und spielt eine wichtige Rolle bei der Umwandlung von atmosphärischem Kohlenstoff in pflanzliche Biomasse. Ebenso erzeugt dieser Wachstumsvorgang spezialisiertes Gewebe, das Wasser und Nährstoffe transportiert. Im Stamm zeigt es sich als konzentrisches Muster - bekannt auch als Jahresringe. Die meisten Pflanzen und Bäume setzen dieses Wachstum nach außen über ihre gesamte Lebensdauer fort.

Netzwerke zum radialen Wachstum entdeckt

Das Breitenwachstum sorgt aber nicht nur für stabile Baumstämme, sondern auch für dickes Wurzel- und Knollengemüse wie Rüben, Karotten, Zuckerrüben und Kartoffeln. Doch die genauen Mechanismen, wie Pflanzen ihre Stängel und Wurzeln verdicken, waren bisher nahezu unbekannt. Zwei unabhängige Gruppen von Wissenschaftlern haben nun zeitgleich zwei regulatorische Netzwerke entdeckt, die das Breitenwachstum von Pflanzen steuern.

Eingeleitet wird das Breitenwachstum bei allen Pflanzenarten im prokambialen Stadium, wenn die Sämlinge noch jung sind. Das Breitenwachstum im vaskulären Kambium setzt bei Bäumen erst in einem späteren Entwicklungsstadium ein.

Protophloem organisiert prokambiales Stadium

Wie die erste Forschergruppe feststellte, leiten junge Phloemzellen im Frühstadium des Pflanzenwachstums das prokambiale Stadium beim Breitenwachstum ein. In ihrer Publikation beschreiben die Wissenschaftler das genregulatorische Netzwerk dahinter, sowie eine neu identifizierte Gruppe von mobilen Transkriptionsfaktoren.

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"Im Frühstadium hilft das Phloemgewebe, das Verhalten von Zellen zu steuern und Muster des Entwicklungspotenzials zu etablieren, die sich auf das zukünftige radiale Wachstum auswirken", so Professor Ykä Helariutta. "Dies wird durch eine Gruppe von mobilen Transkriptionsfaktoren erreicht, die sich vom Protophloem-Siebelement (PSE) zu den benachbarten Zellen bewegen, die Zellteilung fördern und ihre eigene Identität entwickeln. Die Aktivität dieser mobilen Transkriptionsfaktoren wird durch eine Reihe von Signalen verschiedener chemischer Natur reguliert, wie z. B. Pflanzenhormonen, andere Transkriptionsfaktoren und mobilen microRNA-Arten."

Junges Xylem organisiert Stammzellaktivität

An der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) zeigte die zweite Forschergruppe, dass die Anordnung der Zellen beim Breitenwachstum eine wesentliche Rolle spielt. Denn die Stammzellen für das Kambium liegen in direkter Nachbarschaft zum jungen Xylem, von wo aus die Stammzellaktivität organisiert wird.

„Wir haben gezeigt, dass diese sekundäre Entwicklung ein streng kontrollierter Prozess ist und eine dynamische Natur des Organisators offenbart. Wir haben auch einen molekularen Mechanismus identifiziert, der den Stammzellorganisator definiert", erklärt Dr. Ari Pekka Mähönen.

Höhere Erträge durch mehr Biomasse

Beide Forscherteams entschlüsseln nun, welche weiteren Faktoren involviert sind und wie das frühzeitige radiale Wachstum das sekundäre radiale Wachstum beeinflusst.

Dieses Verständnis könnte bei der zukünftigen Züchtung von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen und Bäumen helfen, höhere Erträge zu erzielen und die atmosphärische Kohlenstoffbindung durch Erhöhung der Forstbiomasse zu maximieren.