Ohne Wurzeln könnten die meisten Pflanzen nicht existieren: Sie verankern die Pflanze nicht nur sicher im Boden, sondern versorgen sie mit Wasser und Nährstoffen. Das Wurzelwachstum in seiner Form und Größe beeinflussen zu können, würde der Pflanzenzüchtung daher ermöglichen, robustere und ertragsstärkere Nutzpflanzen zu erzeugen. Ein erster Schritt auf diesem Weg könnte eine Studie eines internationalen Forschungsteams sein, das nun die molekularen Abläufe beim Wurzelwachstum der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) weiter aufgeklärt hat. Aus Deutschland waren das Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und das Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg beteiligt.

Zucker muss vom Spross in die Wurzel wandern

Für ihr Wurzelwachstum benötigen Pflanzen Zucker in Form von Fruktose und Glukose. Diese entstehen infolge der Photosynthese in den Blättern, müssen also durch die gesamte Pflanze transportiert werden. „Bekannt ist zwar, dass für die Ausbildung von Seitenwurzeln neben pflanzlichen Hormonen auch Zucker aus dem Pflanzenspross in die Wurzel umverteilt wird; wie die Pflanze aber überhaupt erkennt, dass Zuckerressourcen für die Ausbildung von seitlichen Wurzeln zur Verfügung stehen, war bislang jedoch unbekannt“, erläutert Michael Stitz von der Universität Heidelberg.

Zunächst konnten die Forschenden nachweisen, dass die Pflanze aus der äußeren Zellschicht des zentralen Wurzelzylinders – dem Perizykel – Glukose abbauen können muss, um Seitenwurzeln zu bilden. Die Kontrolle über diesen Prozess übt das Protein TOR (Target of Rapamycin) aus. Dessen Aktivität hängt wiederum vom Pflanzenhormon Auxin und bestimmten Nährstoffen wie Zucker ab.

Protein stoppt das Wurzelwachstum, wenn Zucker fehlt

In seiner Studie stellte das Forschungsteam fest, dass TOR im Perizykel nur dann aktiv ist, wenn dort Zucker verfügbar ist. „TOR nimmt eine Art Pförtnerrolle ein: Wenn die Pflanze über das Hormon Auxin das für die Wurzelbildung verantwortliche genetische Wachstumsprogramm aktiviert, überprüft TOR, ob auch genügend Zuckerressourcen für diesen Prozess zur Verfügung stehen“, erklärt Forschungsleiter Alexis Maizel von der Universität Heidelberg. Erst dann teilen sich sogenannte Gründerzellen, um Seitenwurzeln auszubilden. Fehlt Zucker, blockiert TOR die Aktivität bestimmter Auxin-abhängiger Gene und die Pflanze bildet keine Seitenwurzeln aus.

Über ihre DFG-geförderte Forschung berichten die Fachleute im „The EMBO Journal“. Darin schildern sie auch, dass das Protein TOR ebenfalls reguliert, ob die Ackerschmalwand sogenannte Adventivwurzeln ausbildet. Darunter versteht man neu gebildete Wurzeln an Pflanzenteilen, die zuvor noch keine Wurzeln hatten – beispielsweise wenn eine Pflanze durch Stecklinge vermehrt wurde.

bl