Wurzeln sind in der Lage, Wärme selbst zu messen, wie eine neue Studie zeigt

Pflanzenwurzeln verfügen über ein eigenes Thermometer, das die Temperatur des sie umgebenden Bodens misst und ihr Wachstum entsprechend anpasst. Durch umfangreiche Experimente konnte ein Team unter der Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) zeigen, dass Wurzeln über ein eigenes Temperaturerfassungs- und Reaktionssystem verfügen.

In einer neuen Studie in Das EMBO-Journal, liefern die Wissenschaftler auch eine neue Erklärung dafür, wie Wurzeln selbst höhere Temperaturen erkennen und darauf reagieren. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, neue Ansätze für die Pflanzenzüchtung zu entwickeln.

In Klimakammern untersuchten die Forscher, wie der pflanzliche Modellorganismus Ackerschmalwand und die beiden Kulturpflanzen Kohl und Tomate auf steigende Umgebungstemperaturen reagieren. Sie erhöhten die Umgebungstemperatur von 20 auf 28 °C (68 auf 82,4 °F).

„Bisher ging man davon aus, dass der Pflanzenspross den Prozess für die gesamte Pflanze steuert und als Fernsender fungiert, der der Wurzel signalisiert, dass sie ihr Wachstum ändern soll“, sagt Professor Marcel Quint vom Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaft Naturwissenschaften an der MLU. Dies konnte sein Team nun durch umfangreiche Experimente in Zusammenarbeit mit Forschern des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB), der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln widerlegen. In einem Experiment schnitten Wissenschaftler den Spross der Pflanzen ab, ließen aber die Wurzeln weiter wachsen.

„Wir fanden heraus, dass die Wurzeln davon nicht betroffen waren und bei erhöhten Temperaturen genauso wuchsen wie bei Pflanzen mit intakten Trieben. Durch die höhere Temperatur wurde die Zellteilung angeregt und die Wurzeln wurden deutlich länger“, sagt Quint. Das Team verwendete auch mutierte Pflanzen, deren Triebe höhere Temperaturen nicht mehr erkennen und darauf reagieren konnten. Diese wurden auf Wurzeln ohne diesen Defekt aufgepfropft. Auch hier konnten die Wurzeln auf die Hitze im Boden reagieren, obwohl der Spross nichts tat.

Die Forscher fanden in all ihren Experimenten heraus, dass Wurzelzellen die Produktion des Wachstumshormons Auxin steigerten, das dann zu den Wurzelspitzen transportiert wurde. Dort regte es die Zellteilung an und ermöglichte es den Wurzeln, tiefer in den Boden vorzudringen. „Da Hitze und Trockenheit meist parallel auftreten, ist es sinnvoll, dass die Pflanzen tiefere und kühlere Bodenschichten erschließen, die Wasser enthalten“, erklärt Quint.

Seit einiger Zeit verstehen Wissenschaftler, wie Pflanzentriebe auf höhere Temperaturen reagieren. Auch ihre Zellen produzieren mehr Auxin, allerdings reagiert die Pflanze anders als ihre Wurzeln. Die Zellen im Trieb dehnen sich, der Stängel wird höher und die Blätter werden schmaler und wachsen weiter auseinander.

Die Studie liefert auch neue Erkenntnisse für die Pflanzenzüchtung. „Angesichts des Klimawandels wird das Wurzelwachstum für die Züchtung immer wichtiger. Das Verständnis der molekularen Grundlagen des temperaturabhängigen Wurzelwachstums könnte helfen, Pflanzen effektiv gegen Trockenstress zu wappnen und langfristig stabile Erträge zu erzielen“, sagt Quint.

Quints Team wird seine Arbeit auf diesem Forschungsgebiet in den kommenden Jahren fortsetzen.