Pflanzen haben verschiedene Anpassungsstrategien entwickelt, um die Nutzung der Licht- und Bodenressourcen ihrer Umgebung zu optimieren. Eine der wichtigsten Anpassungsreaktionen ist die Entwicklungsplastizität ihrer Wurzelsysteme, die es Pflanzen ermöglicht, Nährstoffvorräte, die räumlich und zeitlich schwanken, effizient zu ernähren.
Als entscheidender Bestandteil der aktiven Wurzeloberfläche stellen Wurzelhaare ein starkes morphologisches Merkmal zur Verbesserung der Wasser- und Nährstoffaufnahme dar. Wurzelhaare sind Verlängerungen epidermaler Zellen, die die Wurzeloberfläche wirksam vergrößern und die Erkundung des Bodens nach Wasser und Nährstoffen erleichtern. Die Entwicklung der Wurzelhaare beginnt mit der Bestimmung des Zellschicksals, die bestimmt, ob eine Epidermiszelle zu einer haarbildenden Zelle (Trichoblast) oder einer haarlosen Zelle (Atrichoblast) wird.
„In unserer Studie haben wir zunächst gezeigt, dass Stickstoffmangel die Wurzelhaarverlängerung bei der Modellart Arabidopsis thaliana stark stimuliert und dass diese Reaktion für die Pflanzenfitness bei niedrigem Stickstoffgehalt entscheidend ist“, erklärt Prof. Dr. Nicolaus von Wirén, Leiter der Abteilung „ Physiologie und Zellbiologie“ am IPK Leibniz-Institut.
„Und dann haben wir Ansätze aus Transkriptomik, Molekulargenetik und Zellbiologie integriert, um festzustellen, dass die durch einen niedrigen Stickstoffgehalt induzierte Verlängerung der Wurzelhaare auf einer räumlich koordinierten Auxin-Signalkaskade aufbaut, die über das epidermale Transkriptionsmodul RHD6-LRL3 in das Entwicklungsprogramm der Wurzelhaare eintritt.“
Die Signalkaskade besteht aus drei Stufen. Durch die Hochregulierung der Enzyme TAA1 und YUCCA8 erhöht ein niedriger Stickstoffgehalt die Auxinakkumulation in der Wurzelspitze (Schritt 1, Synthese). Auxin wird dann über die Transporter AUX1 und PIN2 triebwärts zur Wurzelhaar-Differenzierungszone geleitet (Schritt 2, Transport). Bei der Ankunft aktiviert Auxin die Transkriptionsfaktoren ARF6 und ARF8, um das Transkriptionsmodul RHD6-LRL3 zu fördern, das auf die Epidermis beschränkt ist und die Haarverlängerung der Wurzel als Reaktion auf niedrigen Stickstoffgehalt steuert (Schritt 3, Signalisierung).
„Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Wurzelhaarverlängerung eine zusätzliche systemisch bedingte Reaktion auf die Nahrungssuche darstellt, um den Boden nach Stickstoff zu durchsuchen, was umso wichtiger wird, je schwerwiegender der Stickstoffmangel wird“, sagt Dr. Zhongtao Jia, Erstautor der Studie. „Diese Ergebnisse erweitern unser Verständnis der Reaktionen der Wurzeln auf Nahrungssuche in nährstoffarmen Umgebungen um ein neues Element und erweitern den mechanistischen Rahmen der hormonregulierten Nährstoffwahrnehmung in Pflanzenwurzeln.“
Da reichlichere und längere Wurzelhaare eine kostengünstige Strategie für Pflanzen darstellen, um Wurzeln mit Bodennährstoffen in Kontakt zu bringen, bietet das Verständnis, wie die Wurzelhaarentwicklung durch Stickstoff reguliert wird, neue Züchtungsziele für die Entwicklung von Nutzpflanzen mit verbesserter Stickstoffaufnahmeeffizienz.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.
Mehr Informationen:
Nico von Wirén, Ein räumlich abgestimmtes epidermales Auxin-Signalgerüst steuert die Nahrungssuche der Wurzelhaare bei niedrigem Stickstoffgehalt, Aktuelle Biologie (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.08.040. www.cell.com/current-biology/f … 0960-9822(23)01119-3
Bereitgestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung