Gute Aussichten durch mehr Einsichten in die Wurzelarchitektur

Dank einer neuen Technik können Wurzelstrukturen unterirdisch präzise sichtbar gemacht werden: Ein interdisziplinäres Forscherteam kombinierte bildgebende Verfahren (Mikro-CT) mit einer neuen Software, um Wurzeln von anderen Bodenbestandteilen zu unterscheiden. Die Pflanzenzüchtung bekommt so konkrete Hinweise, wie Erträge gesteigert werden können.

Abgesehen von Kartoffeln oder Rüben interessieren wir Menschen uns vor allem für die oberirdischen Pflanzenteile. Jedoch liegt mit den Wurzeln eines der wichtigsten Pflanzenorgane im Verborgenen. Das Wurzeln entscheidend für die Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Verankerung im Boden und damit für das Wachstum sind, leuchtet ein. Trotz dieser herausragenden Bedeutung der Wurzeln für den Ertrag unserer Kulturpflanzen wissen die Forscher noch recht wenig über dieses Organ. Etwas mehr Licht ins Dunkel bringt jetzt ein interdisziplinäres Forscherteam.

Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Pflanzenforschern und Informatikern gelang es, Wurzeln noch genauer als bisher bildlich darzustellen. Dazu kombinierten sie das röntgenbasierte Verfahren der Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) mit einer neue Software (“RooTrak”). Mit diesem Ansatz konnten sie unterschiedliche Formen und Verzweigungen der Pflanzenwurzeln, kurz die Wurzelarchitektur, im Boden detektieren und dreidimensional visualisieren. Andere Bodenbestandteile, wie Wasser oder organgische Materialien, können mit Hilfe der Software deutlicher von Wurzeln unterschieden werden.

Schnelle und genaue Abbildung

Da die Mikro-CT Daten allein zu ungenaue Abbildungen der Wurzeln lieferten, speisten die Forscher sie in die speziell entwickelte Software RooTrak ein. Diese erstellt eine Sequenz von Bildern von dem Bodenabschnitt, der das Wurzelwerk enthält. Die Röntgenaufnahmen aus dem Bodenabschnitt liefern der Software die Daten, in denen sie spezifisch nach Wurzeln scannt. Die Scandauer variiert je nach Bodentyp und Pflanzenart und beträgt zwischen 15 – 30 min.

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Um die neue Technik zu überprüfen, wurden Mais-, Weizen- und Tomatenwurzeln in unterschiedlichen Bodenarten untersucht. Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass sie damit die Wurzelarchitekturen aller Versuchspflanzen aus dem sie umgebenden Erdreich erfolgreich herausfiltern konnte. Da das Wurzelwerk zur Analyse nicht mehr aus dem Boden getrennt werden muss, um es auszuwaschen, werden die Wurzelstrukturen nicht mehr beschädigt. Diese bleiben in der natürlichen Umgebung und lassen Rückschlüsse auf eine optimierte Wurzelarchitektur zur Selektion besonders angepasster Pflanzen zu.

Alternativ können die Wurzel oder gar die ganze Pflanze in durchsichtigem Nährboden herangezüchtet werden. Jedoch hat dies den Nachteil, dass das Nährmedium das Wachstum beeinflusst und keine unmittelbaren Rückschlüsse auf die Wurzelentwicklung im Boden zulässt. Rückschlüsse auf das Wachstum im Feld sind unter diesen künstlichen Bedingungen somit nicht möglich. Mit der neuen Technik können die Pflanzen nun unter natürlicheren Bedingungen untersucht werden.

Chancen für die Ernährungssicherheit

Diese nichtinvasive Methode kann Wurzel-Phänotypisierungen zukünftig erleichtern, denn die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen hängt wesentlich mit der Wurzelarchitektur zusammen. Die Analyse des hochwichtigen Pflanzenorgans kann darüber Aufschluss geben, wie Pflanzen gezüchtet werden müssen, um optimal an die jeweilige Bodenart angepasst zu sein. Die neuen Sorten führen dann zu höheren Ernteerträgen. Ertragssteigerung ist ein übergeordnetes Ziel der Pflanzenzüchtung. Die Visualisierung der Wurzelarchitektur kann darüber hinaus auch die Stoffaufnahme sowie die Qualität der Pflanzen verbessern.