Studie zeigt, dass durch signalübertragende Saccharose übertragenes Licht das Wachstum von Pflanzenwurzeln steuert

Das Pflanzenwachstum wird durch Licht angetrieben und durch Photosynthese von grünen Blättern mit Energie versorgt. Das Gleiche gilt für Wurzeln, die im Dunkeln wachsen – sie erhalten die Produkte der Photosynthese, insbesondere Saccharose (Zucker), über die zentralen Transportwege des Phloems.

In ihrer Studie veröffentlicht in Aktuelle BiologieDr. Stefan Kircher und Prof. Dr. Peter Schopfer von der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg haben nun in Experimenten an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) gezeigt, dass die Saccharose nicht nur die Versorgung der Wurzeln mit Kohlenhydraten gewährleistet, sondern auch fungiert auch als Signalgeber für die Bildung einer lichtabhängigen Wurzelarchitektur.

Dies geschieht auf zwei Arten: Erstens steuert Saccharose direkt die Verlängerung der Primärwurzel. Zweitens reguliert die zur Wurzelspitze transportierte Saccharose dann die Produktion des Pflanzenhormons Auxin. Dieses Hormon steuert die Geschwindigkeit der Bildung neuer Seitenwurzeln, die – zusammen mit der Verlängerung der Primärwurzel – durch den gemeinsamen Signalgeber synchronisiert wird.

„Dadurch kann sich das Wurzelwachstum an die aktuelle Photosyntheseleistung der Blätter anpassen, wenn sich Licht und andere Umweltbedingungen ändern, beispielsweise beim Wechsel von Tag zu Nacht“, sagt Kircher.

Experimentelle Beweise

Um zu zeigen, dass die bei der Photosynthese entstehende Saccharose der entscheidende Signalgeber ist, stellten Kircher und Schopfer die Pflanzen in einen Raum mit Licht, aber ohne Kohlendioxid (CO2) in der Luft und machten so die Photosynthese unmöglich.

Das Ergebnis war, dass keine Seitenwurzeln mehr gebildet wurden. Dieses Ergebnis wurde durch ein weiteres Experiment bestätigt, bei dem die beiden Biologen entweder die Blätter oder die Wurzeln im Dunkeln mit einer Saccharoselösung behandelten. Bei beiden Ansätzen entwickelten sich die Seitenwurzeln genauso wie bei Kontrollpflanzen, die dem Licht ausgesetzt waren.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass die Produktion von Saccharose in Blättern für die Bildung von Seitenwurzeln notwendig ist. Und sie bestätigen die Hypothese, dass Saccharose als Signalgeber für Lichtreize fungiert“, sagt Kircher.

Aktivierung der Auxinbiosynthese durch Saccharosesignal

In früheren Studien hatten Forscher bereits gezeigt, dass das in den Wurzeln aus der Aminosäure Tryptophan produzierte Auxin die Entwicklung neuer Seitenwurzeln beschleunigt. Kircher und Schopfer haben nun gezeigt, wie Saccharose diesen Prozess auslöst.

Dazu stellten sie die Pflanzen zwei Tage lang in einen dunklen Raum und führten verschiedene Experimente durch, um ihren Einfluss auf die Bildung von Seitenwurzeln herauszufinden. Die größte Wirkung hatte die gleichzeitige Verabreichung von Tryptophan an die Wurzeln und die Behandlung der Blätter mit Saccharose. Im Gegensatz dazu hatte Tryptophan kaum Wirkung, wenn es auf die Blätter aufgetragen wurde oder ohne Saccharose an den Wurzeln.

„Diese Beobachtungen bestätigen, dass die durch Photosynthese entstehende Saccharose als Auslöser für die Auxinsynthese dient“, sagt Kircher.