Wurzeln versorgen Pflanzen mit wichtigen Nährstoffen und Wasser. Sie kommunizieren mit den Mikroorganismen im Boden und geben der Pflanze zudem Halt. Doch die Wurzellänge ist bei Pflanzen sehr unterschiedlich. Tiefwurzler wie Leguminosen können beispielsweise bei Trockenheit tiefer liegende Ressourcen anzapfen. Pflanzen mit kurzen Wurzeln wie Mais haben wiederum einen besseren Zugang zu Phosphat, der meistens in den oberen Bodenschichten lagert. Ein Team um Pflanzengenetikerin Caroline Gutjahr von der TUM School of Life Sciences in Weihenstephan hat nun den molekularen Mechanismus entschlüsselt, der das Wachstum der Pflanzenwurzeln beeinflusst.

Hormon bremst Wurzelwachstum

„Es hat sich gezeigt, dass das Protein SMAX1 die Produktion von Ethylen bremst“, sagt Gutjahr, deren Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Programms gefördert wurde. Das Pflanzenhormon Ethylen ist an zahlreichen Entwicklungsprozessen wie der Bildung von Blattspreite oder Blattkrümmung beteiligt. Es beeinflusst aber auch Alterungsprozesse wie die Fruchtreifung, die Blütenentwicklung oder den Blattabwurf und wirkt als Signalstoff bei Schädlingsbefall und Wundreaktionen.

Mechanismus des Karrikin-Signalweges geklärt

Wie das Forscherteam im Fachjournal PNAS berichtet, kann die Blockade durch die Hormonbremse SMAX1 jedoch aufgehoben werden. Dafür muss der sogenannte Karrikin-Signalweg eingeschaltet werden, der dann ein anderes Hormon aktiviert, das die Ethylen-Produktion wieder anschaltet, wodurch die Wurzeln kurz bleiben, aber die Wurzelhaare länger werden. Der Studie zufolge hängt die Länge der Wurzelhaare entscheidend davon ab, wie viel Ethylen die Pflanze erzeugt.

Die Untersuchungen offenbarten jedoch, dass der Einfluss dieses Signalweges bei den Pflanzen sehr unterschiedlich ist. „Überraschenderweise hat dieser Mechanismus einen enormen Einfluss auf die Wurzeln des Hülsenfrüchtlers Lotus japonicus, der Modellpflanze für Erbsen, Bohnen und Linsen, an der wir unsere Studie durchführten“, sagt Gutjahr. Bei der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) sah das hingegen ganz anders aus: Hier war der Einfluss des Karrikin-Signalweges auf die Wurzeln deutlich geringer. „Das zeigt, dass die Diversität der Pflanzen sich nicht nur im Aussehen widerspiegelt, sondern auch in der Wirkung ihrer molekularen Schaltmechanismen auf das Wachstum“, schlussfolgert die Forscherin.

Wurzelwachstum den Umweltbedingungen anpassen

Mit ihrer Studie konnten die Münchner erstmals die molekularen Vorgänge des Karrikin-Signalweges nachvollziehen und zeigen, welche Mechanismen die Entwicklungsprozesse in Pflanzen regulieren.  „Wenn wir genauer verstehen, wie Wurzelwachstum auf molekularer Ebene und in Abstimmung mit Umweltreizen reguliert wird, können wir Pflanzen für die Landwirtschaft züchten, welche besser mit ungünstigen Umweltbedingungen zurechtkommen und damit auch unter diesen ungünstigen Bedingungen Ertrag bringen“, so Gutjahr.

bb