image: Left: slow gravitropism of the fern C. richardii after 0, 6, 12, 24, and 36h; right: fast gravitropisms of the gymnosperm P. taeda after 0, 1, 3, 6, and 12h view more
Credit: © IST Austria -- Yuzhou Zhang/Friml Group
Die Ausbreitung von Pflanzen vom Wasser auf das Land vor ungefähr 500 Millionen Jahren zählt wohl zu den bedeutendsten Schritten im Zuge der Evolution des Lebens auf der Erde. Um sich in dieser neuen Umgebung behaupten zu können, mussten Pflanzenwurzeln jedoch die Eigenschaft entwickeln, der Schwerkraft folgend nach unten zu wachsen ein Phänomen, das auch unter dem Begriff Gravitropismus bekannt ist. Denn nur so war es ihnen möglich, sich fest im Boden zu verankern und an ausreichend Wasser und Nährstoffe zur Versorgung der oberirdischen Pflanzenteile zu gelangen. Der dem Gravitropismus zugrundeliegende Prozess ist in Blütenpflanzen wie Arabidopsis thaliana sehr gut untersucht. Ein systematischer Vergleich über das gesamte Pflanzenreich hinweg und entsprechende Kenntnis über seine evolutionären Ursprünge fehlten jedoch bislang.
Nach unten wachsen ist nicht schwer, dies schnell zu tun dagegen sehr
Nun gelang es Yuzhou Zhang, Postdoc in der Gruppe von Professor Jiří Friml, und seinem Team, erstmalig einen Einblick in die Entstehung des Wurzelgravitropismus zu erlangen. Dazu ließen die ForscherInnen die Wurzeln verschiedener Pflanzenarten unterschiedlichen evolutionären Alters Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blühpflanzen in waagrechter Position wachsen und beobachteten dabei, ob und wann die Wurzeln begannen, sich nach unten zu biegen, um der Schwerkraft zu folgen. Das Ergebnis: Bereits in den primitivsten Landpflanzen, den Moosen, sowie den frühen Gefäßpflanzen, den Bärlappgewächsen und Farnen, fand von der Schwerkraft getriebenes Wurzelwachstum statt, allerdings nur in sehr rudimentärem Ausmaß und zudem sehr langsam. Erst Samenpflanzen (Nacktsamer und Blühpflanzen), die erstmalig vor rund 350 Millionen Jahren auftraten, zeigten ein schnelleres und damit viel effizienteres Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft.
Die Kraft der Stärke
Aber welcher Entwicklungsschritt ermöglichte dieses rasche Reagieren auf die Schwerkraft? Durch die Analyse der einzelnen Phasen des Gravitropismus von der Wahrnehmung der Schwerkraft über die Weiterleitung des gravitropen Signals bis zu den tatsächlichen Wachstumsvorgängen stießen die WissenschafterInnen auf zwei zentrale Bausteine bzw. Prozesse, welche sich parallel entwickelten. In der Wurzelspitze sedimentieren mit Stärkekörnern vollgepackte Pflanzenorganellen namens Amyloplasten in Reaktion auf die Schwerkraft nach unten und fungieren so als Schwerkraft-Sensoren. Wie sich nun herausstellte, lagern sich die Amyloplasten in Folge dieses schon bekannten Sedimentationsprozesses jedoch ausschließlich in Nacktsamern und Blühpflanzen am untersten Ende der Wurzelspitze an. In früheren Pflanzen liegen die Amyloplasten hingegen mehr oder weniger zufällig im Wurzelgewebe verteilt vor und erfüllen damit nicht dieselbe sensorische Funktion wie in den Samenpflanzen.
Ein spezieller PIN als Code für Auxin
Nach der Wahrnehmung der Schwerkraft durch die Amyloplasten wird das Schwerkraft-Signal über das Wachstumshormon Auxin von Zelle zu Zelle weitertransportiert. Mittels genetischer Analysen konnten die WissenschafterInnen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein spezifisches Transportermolekül namens PIN2 identifizieren, welches den Auxinfluss steuert und damit das Wurzelwachstum in die Wege leitet. Während verschiedene PIN-Proteine im Großteil aller grünen Pflanzen vorkommen, zeigten die Versuche, dass nur das spezifische PIN2-Molekül zu einer Polarisierung der Zellen führt, indem es sich an der sprossseitigen Seite der Epidermiszellen anlagert. Diese Polarisierung wiederum ermöglicht den Transport von Auxin vom Ort der Schwerkraft-Wahrnehmung hin zur Wachstumszone.
Von den Pflanzen lernen
Durch die Identifizierung und Analyse dieser Bausteine und Prozesse gewannen die WissenschafterInnen wichtige Einblicke in die Evolution des Phänomens des Wurzelgravitropismus und somit in einen der zentralen Anpassungsprozesse von Samenpflanzen an das Leben an Land. Doch auch praktische Anwendungsmöglichkeiten lassen sich von den Ergebnissen der aktuellen Studie ableiten: Nun, da wir beginnen zu verstehen, was Pflanzen brauchen, um sich fest im Boden zu verankern, um an Wasser und Nährstoffe in tieferen Bodenschichten zu gelangen, können wir eines Tages vielleicht Methoden entwickeln, um zum Beispiel den Anbau von Nutzpflanzen auf sehr trockenen Böden zu erleichtern, meint Zhang, der seit 2016 am IST Austria forscht. Er ergänzt: Die Natur ist viel klüger als wir; es gibt so vieles, was wir von Pflanzen lernen können, was schlussendlich uns Menschen zugutekommen kann.
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Journal
Nature Communications