Blutgefäße wie Tiere und Menschen haben Pflanzen nicht. Doch auch sie müssen Nährstoffe in ihrem gesamten Gewebe verteilen – von der Wurzel bis in die Sprosse und Blätter. Das können sie entweder erreichen, indem sie Nährstoffe von Zelle zu Zelle weiterreichen oder indem sie die wassergefüllten Zellzwischenräume verwenden. Am Beispiel des Ammoniums haben Pflanzenforscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben jetzt analysiert, wann die Pflanze welchen der beiden Wege nutzt und wie leistungsfähig diese sind.

Zwei mögliche Transportwege für Ammonium

Über den Ammoniumtransport ist bereits einiges bekannt, denn er ist für die Landwirtschaft sehr bedeutsam: Ammonium bildet für Pflanzen die wichtigste Stickstoffquelle, ohne Stickstoff kann die Pflanze keine Proteine bilden – sie hungert und geht ein. So wussten die IPK-Forscher bereits, dass das Protein AMT1;3 den Transport von Ammonium in den Zellen steuert – der sogenannte symplasmatische Weg. Das Protein AMT1;2 hingegen ist für den Ammoniumtransport im Zellzwischenraum, auf dem sogenannten apoplastischen Weg verantwortlich.

Um beide Wege zu vergleichen, haben die Forscher mit gentechnischen Methoden alle weiteren Ammoniumtransporter der Pflanze ausgeschaltet und den zugeführten Stickstoff so markiert, dass sie dessen Weg durch die Pflanze nachvollziehen konnten. Wie die Pflanzenforscher im Fachjournal „PLOS Biology" berichten, leistet das Protein AMT1;2 mehr als AMT1;3 – es sei denn, Ammonium im Boden ist knapp. In diesem Fall arbeitet der symplasmatische Weg effizienter.

Wurzelwachstum hat bei Nährstoffmangel Priorität

Das Resultat ist für die Forscher plausibel, versorgt doch der symplasmatische Weg zunächst die Wurzeln. Dadurch kann die Pflanze in Zeiten knapper Nährstoffe bevorzugt ihr Wurzelwerk und damit die Nährstoffaufnahme ausbauen. In guten Zeiten hingegen beschleunigt der apoplastische Weg das oberirdische Wachstum und verbessert damit zugleich die Photosynthese.

Zwei Besonderheiten konnten die Wissenschaftler ebenfalls nachweisen. So funktioniert der apoplastische Weg nur, solange der sogenannte Casparysche Streifen die Zellzwischenräume an der Endodermis schließt. Dabei handelt es sich um eine Schicht aus Lignin, die verhindern soll, dass aufgenommene Giftstoffe in den Zentralzylinder der Pflanze gelangen. Und auch Endodermiszellen, die eine sogenannte Suberinschicht ausgebildet haben, können keine Nährstoffe mehr aufnehmen, die über den apoplastischen Weg angeliefert werden. Entsprechend bilden diese Zellen dann kein weiteres AMT1;2 mehr.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge soll der Pflanzenzüchtung nun helfen, Wurzeleigenschaften so zu optimieren, dass die Pflanze trotz geringer Düngemengen gut mit Nährstoffen versorgt ist.

bl