Über Pflanzenwurzeln denken Sie wahrscheinlich nicht allzu viel nach – schließlich sind sie unter der Erde versteckt. Dennoch sind sie es ständig die Form der Welt verändern. Dieser Prozess findet in Ihrem Garten statt, wo Pflanzen unsichtbare Mechanismen für ihr endloses Wachstum nutzen.
Wissenschaftler entdeckten Vor etwa 15 Jahren dass Gene an der Wurzelspitze (oder genauer gesagt die Ebene der von einigen Genen produzierten Proteine) zu pulsieren scheinen. Es ist immer noch ein bisschen rätselhaft, aber aktuelle Forschungen liefern uns neue Erkenntnisse.
Was wir wissen ist, dass diese Schwingung ein grundlegender Mechanismus ist, der dem Wurzelwachstum zugrunde liegt. Wenn wir diesen Prozess besser verstehen würden, könnte es Landwirten und Wissenschaftlern helfen, die besten Pflanzen für das Wachstum in verschiedenen Bodenarten und Klimazonen zu entwerfen oder auszuwählen. Angesichts zunehmender Wetterextreme wie Dürren und Überschwemmungen Ernten schädigen Auf der ganzen Welt ist es wichtiger denn je zu verstehen, wie Pflanzen wachsen.
Um wirklich zu verstehen, wie Pflanzen wachsen, muss man sich die Prozesse ansehen, die im Inneren der Zellen ablaufen. Es gibt zahlreiche chemische Reaktionen und Veränderungen in der Aktivität von Genen, die ständig in Zellen auftreten.
Einige dieser Reaktionen erfolgen als Reaktion auf äußere Signale, wie etwa Veränderungen des Lichts, der Temperatur oder der Nährstoffverfügbarkeit. Aber viele sind Teil jeder Pflanze Entwicklungsprogrammkodiert in seinen Genen.
Einige dieser Zellprozesse haben regelmäßige Schwingungen– Einige Molekülfamilien erscheinen und verschwinden rhythmisch alle paar Stunden. Das bekannteste Beispiel ist Tagesrhythmusdie innere Uhr bei Pflanzen und Tieren (einschließlich Menschen).
Natürliche Zyklen
Es gibt viele weitere Beispiele für spontane Schwingungen in der Natur. Einige sind schnell, wie zum Beispiel Herzschläge und die mitotischer Zellzyklus, das ist der Zyklus der Zellteilungen. Andere, wie der Menstruationszyklus und Winterschlafsind langsam.
Meistens können sie durch einen zugrundeliegenden Grund erklärt werden negative Rückkopplungsschleife. Hierbei löst ein Prozess eine Reihe von Ereignissen aus, die dann genau die Aktivität unterdrücken, die sie ausgelöst haben. Dies scheint bei der Wurzelwachstumspulsation der Fall zu sein.
Kurz nachdem die Wurzelspitzen-Genoszillation entdeckt wurde, Wissenschaftler bemerkten Dieses Pulsieren hinterlässt unsichtbare Spuren. Dies fanden sie heraus, indem sie fluoreszierende Marker verwendeten, die unter dem Mikroskop sichtbar waren. Diese Spuren bleiben an Stellen zurück, an denen die Wurzel seitlich wachsen kann. Das heißt, sie geben regelmäßig Hinweise, die dazu führen, dass das Wurzelsystem seine Form annimmt.
Seine Ursache ist heute unbekannt, obwohl Wissenschaftler Theorien, dass es durch zirkadiane Schwankungen verursacht werden könnte, ausgeschlossen haben.
Wir wissen, dass es viele Rückkopplungsschleifen gibt. Ein Pflanzenhormon namens Auxin scheint für den Prozess von entscheidender Bedeutung zu sein. Es aktiviert einige Gene, die für Proteine kodieren, beispielsweise solche, die für das Wachstum benötigt werden. Charles Darwin vermutete die Existenz von Auxin und seine chemische Struktur wurde bestätigt vor etwa 100 Jahren.
Die oszillierenden Gene sind die Auxin-„Ziele“. Wenn Auxin in eine Zelle gelangt, neigen diese Zielgene dazu, aktiver zu werden. Einige dieser Gene hängen mit dem Wachstum zusammen, aber nicht alle. Auxin löst die Entfernung von „Repressoren“ aus. Proteine, die blockieren können die Aktivität in Genen. Auch Tiere haben Repressoren in ihren Zellen.
Diese Repressoren werden jedoch durch die Gene aktiviert, die sie blockieren. Es könnte sein, dass diese Rückkopplungsschleife die Schwingungen auslöst, die wir sehen, aber wir wissen es nicht genau.
Wir wissen, dass sich Auxin über ein kompliziertes Netzwerk von Zelle zu Zelle bewegt Transporterproteine. Die Art und Weise, wie Proteine direkt zu Teilen der Zelle gelangen, hängt von den umgebenden Auxinspiegeln selbst ab. Dies ist eine weitere Rückkopplungsschleife. Die Pulsation findet in wachsenden Wurzeln statt, wo sich Zellen an der Spitze aufgrund des Zellzyklus (der separate Rückkopplungsschleifen erfordert) kontinuierlich teilen.
Was für ein Rätsel
Wissenschaftler greifen oft auf die Mathematik zurück, um Dinge zu erklären. Forscher nutzen seit der Antike die Geometrie, um den sichtbaren Teil von Pflanzen zu untersuchen. Ein im 19. Jahrhundert entwickeltes Zweig der Mathematik namens Dynamische Systemtheorie (DST) hat Wissenschaftlern Klarheit darüber verschafft, warum Pflanzenwurzeln schwingen. Wissenschaftler haben Tools von DST verwendet, um zu zeigen, wie das geht Auxin-Muster sind von Zellteilungsrunden betroffen.
Wenn diese Zellteilungsrunden gut synchronisiert wären, könnten wir zeigen, dass dies theoretisch zu einem regelmäßigen Auxinimpuls führen würde.
Dies löst das Rätsel jedoch nicht, da sich Zellen normalerweise nicht alle gleichzeitig teilen und daher ein Pulsieren von Auxin ziemlich unregelmäßig wäre.
Als mein Team unter dem Mikroskop nach fluoreszierenden Auxinmarkern suchte, stellten wir einen Mangel an Regelmäßigkeit im Auxin in den Teilen der Wurzel fest, in denen seine Zielgene regelmäßig oszillieren.
Dies deutet darauf hin, dass die Genoszillation an der Wurzelspitze möglicherweise mit dem Wurzelwachstum zusammenhängt, jedoch nicht gleichzeitig mit der Teilung der Wurzelstammzellen stattfindet.
Obwohl es immer noch rätselhaft ist, sind wir jetzt besser gerüstet, dieses Rätsel zu entschlüsseln. Die Antwort liegt wahrscheinlich nicht in einem einzelnen Prozess, sondern im Ergebnis eines Zusammenspiels verschiedener Prozesse. Wir kennen die Hauptakteure, aber die Spielregeln, die sie spielen, müssen noch entdeckt werden.
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