GTPasen im Takt

So entstehen Wurzelhaare

18.06.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die feinen Antennen der Wurzeln vergrößern die Oberfläche der Wurzel und erhöhen damit das Volumen des zur Verfügung stehenden Erdreichs um ein Vielfaches. (Bildequelle: © iStock.com/Thomas Vogel)
Die feinen Antennen der Wurzeln vergrößern die Oberfläche der Wurzel und erhöhen damit das Volumen des zur Verfügung stehenden Erdreichs um ein Vielfaches. (Bildequelle: © iStock.com/Thomas Vogel)

Wurzelhaare sind ein wichtiges Organ der Pflanze zur Wasser- und Nährstoffaufnahme. Eine neue Studie zeigt, dass die erfolgreiche Produktion von Wurzelhaaren ein zweistufiger Prozess ist, bei dem verschiedene molekulare „Player“ die anfängliche Zellpolarisation und den anschließenden Haarauswuchs beeinflussen.

Wurzelhaare entstehen in der Rhizodermis aus den Trichoblasten. Es sind filamentöse Auswüchse, die bereits mit bloßem Auge deutlich sichtbar sind. Wie feine Antennen vergrößern sie die Oberfläche der Wurzel und erhöhen damit den Kontakt zum umgebenden Erdreich um ein Vielfaches. „Die feinen Filamente können in noch feinere Zwischenräume im Erdreich eindringen und dort mehr Nährstoffe extrahieren als eine Wurzel ohne Haare“, sagt Studienleiter Guido Grossmann von der Universität Heidelberg.

Exakt eingetaktete Enzym-Rekrutierung

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Wurzelhaare der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana in der Vergrößerung.

Quelle: © P. DenningerG. Grossmann, COS Heidelberg

Grossmann und sein Team haben untersucht, wie diese Zellen zu ihrer Form gelangen und wie die Pflanze diesen Prozess koordiniert. „Nur Zellen in der Wachstumszone nahe der Wurzelspitze, der sogenannten Elongationszone, sind in der Lage, Wurzelhaare auszubilden“, erklärt Grossmann. Die Wachstumsmaschinerie ist dort bereits aktiv und die Zellen sind auf Streckungswachstum programmiert. „Auf ein von uns noch nicht ganz verstandenes Signal hin wird die Wachstumsmaschinerie an einem definierten Ort aufkonzentriert“, führt er weiter aus.

An diesem Prozess sind verschiedene Proteine beteiligt. Manche Proteine sorgen für Bau-Material, um das Wachstum zu ermöglichen. Andere Proteine lockern die Zellwand auf, damit die Zelle an der betreffenden Stelle auswachsen kann. „Die Rekrutierung der Wachstumsmaschinerie muss zeitlich gut koordiniert sein, da ein Wurzelhaar nur in einem bestimmten Zeitfenster auswachsen kann“, so Grossmann.

GTPasen sind Schalter für Wachstumsprozesse

GTPasen spielen bei zentralen Wachstumsprozessen in Eukaryonten eine zentrale Rolle. In Pflanzen fungieren die sogenannten ROP (Rho-of-plants)-GTPasen als Schalter für Wachstumsprozesse. Sie lagern sich bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt an der Wurzelspitze an. Wie die GTPasen diesen Ort finden und zu welchem Zeitpunkt sie rekrutiert werden, war bisher nicht bekannt. „Die GTPasen sitzen da eine ganze Zeit lang und warten. Wir vermuten, dass sie erst dann das Wachstum aktivieren, wenn die Wachstumsmaschinerie komplett zusammengesetzt ist“, so Grossmann.

GEF3 koordiniert die Rekrutierung der GTPasen

Grossmann und sein Team konnten zeigen, dass von den 14 in der Modellpflanze Arabidopsis bekannten GTPase-Aktivatoren fünf bis sechs in den Wurzelzellen exprimiert werden. Als sie die Zeitpunkte der Expression untersuchten, stellten die Forscher fest: Diese Regulatoren spielen in unterschiedlichen Phasen der Haarentwicklung eine Rolle. „Der Regulator GEF3 scheint eine Art Landmarke dazustellen für die Rekrutierung der GTPasen“, so Grossmann. GEF3 ist bereits vor den GTPasen vor Ort. Er markiert die Stelle und rekrutiert die GTPasen. „Die GTPasen versammeln sich dort zusammen mit weiteren Enzymen. Erst wenn der Regulator GEF4 eintrifft, wird das Wachstum der Wurzelhaare angeschaltet“, erklärt Grossmann. Die GTPase-Aktivatoren agieren also zeitlich versetzt. 

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„Nur Zellen in der Wachstumszone nahe der Wurzelspitze, der sogenannten Elongationszone, sind in der Lage, Wurzelhaare auszubilden“, erklärt Grossmann.

Quelle: © iStock.com/defun

Wurzeln als Zeitachse

Wurzeln eignen sich sehr gut, um zeitlich koordinierte Prozesse zu beobachten. An der Wurzelspitze befinden sich die Stammzellen, im Abstand von ca. 2 mm von der Wurzelspitze finden sich bereits die komplett ausgereiften Zellen. „Entlang der Wurzel ergibt sich so eine Zeitreihe an Zellen, die wir sehr gut nachverfolgen können. Wir können unter dem Mikroskop vom Wurzelhaar aus in Richtung Stammzelle jeden Entwicklungsschritt einzeln rückverfolgen“, erklärt Grossmann.

Auf dieser Basis konnten die Forscher die koordinierte Assemblierung der Wachstumsmaschinerie für Wurzelhaare nachvollziehen. Sie gehen davon aus, dass der Mechanismus zur Polarisierung der Epidermiszellen und zur Formgebung der Wurzelhaare in allen Pflanzenarten konserviert ist.

Optimierung der Nährstoff- und Wasseraufnahme denkbar

Die Forscher um Grossmann haben damit grundlegende Mechanismen aufgeklärt, die langfristig eine Optimierung der Nährstoff- und Wasseraufnahme über die Wurzelhaare sowie eine bessere Anpassung an Dürren ermöglichen könnten. „Wurzelhaare sind außerdem von entscheidender Bedeutung bei der Interaktion der Pflanze mit Mikroorganismen. In Leguminosen beispielsweise ist der Prozesse des Auswachsens der Wurzelhaare mit der Bildung der Wurzelknöllchen verbunden“, so Grossmann. Beide Prozesse müssen miteinander verknüpft sein und bieten Möglichkeiten zur Optimierung.

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