Wurzelaktionen im Boden sichtbar machen

Wenn Pflanzen die Blätter hängen lassen oder gar zu einem kargen Geäst verkümmern, fehlt es oft an Wasser und Nährstoffen. Das A und O ist jedoch die Wurzelaktivität. Denn - ob eine Pflanze gedeiht oder verkümmert, hängt im Wesentlichen davon ab,  ob ihre Wurzeln in der Lage sind, die überlebenswichtigen Stoffe überhaupt aufzunehmen. Mit dem bloßen Auge ist das meist nicht erkennbar. Geophysikern der Universität Bonn ist es nun erstmals gelungen, diese ansonsten versteckten Vorgänge sichtbar zu machen.

Wie das Team um Andreas Kemna im Fachjournal Biogeosciences berichtet, nutzten sie dafür ein neuartiges Bildgebungsverfahren, das bereits in der Medizin Anwendung findet: Die elektrische Impedanz-Tomografie. Sie basiert auf Messungen der elektrischen Leitfähigkeit der in Gewebe und Organen befindlichen freien Ionen.  Auch im Wurzelsystem einer Pflanze sind die freien Ionen das Zünglein an der Wage, um die verborgenen Aktivitäten zu erkennen. „Die Ionen haben Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Wurzeln, was es uns ermöglicht, Wurzeln bei der Nährstoffaufnahme auf eine neuartige Art und Weise sichtbar zu machen“, erklärt Andreas Kemna.

Wurzeln im Boden durchleuchten

Die Bonner Forscher durchleuchteten mit dieser Methode die Wurzeln lebender Nutzpflanzen, die in einer durchsichtigen, mit Nährlösung gefüllten Plexiglasbox eingebettet waren. An das Wurzelsystem, das sogenannte Rhizotron, legten die Forscher ein elektrisches Wechselfeld an. „Doch anders als Ärzte messen wir nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern zusätzlich die durch die Nährstoffaufnahme an der Pflanzenwurzel beeinflusste elektrische Polarisierbarkeit“, erläutert Geophysiker Kemna.

Rückschlüsse auf die Nährstoffdynamik

Die durch das Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes hervorgerufenen elektrischen Polarisationsprozesse variieren dabei mit der Ionenaufnahme der Wurzeln. Zahlreiche Messsensoren am Rhizotron erfassen die Polarisationssignale, die mit Hilfe von speziellen numerischen Algorithmen in tomographische Bilder umgewandelt werden.

Die Forscher arbeiteten hierbei mit unterschiedlichen Messfrequenzen, so dass verschiedene frequenzabhängige Tomogramme entstanden, die sich am Computer in wolkenähnlichen Gebilden farbig darstellen ließen, ohne die Wurzeln im einzelnen abzubilden. „Die Auflösung reicht jedoch aus, um Rückschlüsse auf die Nährstoffdynamik des Wurzelsystems einer Pflanze zu ziehen“, betont Projektmitarbeiter Maximilian Weigand.