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Pflanzen können mit verschiedenen Bewegungen auf Umweltreize reagieren, wobei zwischen "Tropismen" und "Nastien" unterschieden wird. Letztere sind Pflanzenbewegungen, die durch den Bau des jeweiligen Pflanzenteils starr vorgegeben sind, gleich aus welcher Richtung der Reiz kommt. Dazu zählen etwa das Einklappen der Mimosenblätter bei Berührung oder das Öffnen und Schließen von Blüten je nach Lichtintensität oder Wärme.
Während "Nastien" meist durch Veränderungen des Zelldrucks ausgelöst werden, beruhen sogenannte "Tropismen" auf echtem Wachstum. Von diesen gerichteten Wachstumsreaktionen auf Umweltreize gibt es viele unterschiedliche, je nach Reiz heißen sie etwa "Phototropismus" (Licht), "Gravitropismus" (Schwerkraft) oder "Hydrotropismus" (Wasser).
Weil Tiere instinktiv verdorbene Nahrung meiden, hat sich Yuzhou Zhang von der Northwest A&F University in Xianyang (China) gefragt, "ob Pflanzen, obwohl sie unbeweglich sind, unter der Erde vielleicht eine vergleichbare Strategie entwickelt haben", wird das ehemalige Mitglied der Gruppe von Jiri Friml vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg (NÖ) in einer Aussendung zitiert.
Der Abbau von abgestorbenem Pflanzenmaterial durch Mikroben im Boden ist allgegenwärtig, es entstehen aber auch lokale Zersetzungszonen mit intensiver mikrobieller Aktivität. Tatsächlich konnte das Team um Zhang und Friml rund um solche Zonen eine neue Form von Tropismus nachweisen: den sogenannten "Saprotropismus", abgeleitet vom griechischen Begriff "sapros", was "verfault" oder "verrottend" bedeutet.
Zunächst zeigten die Forscherinnen und Forscher, dass Pflanzen Verrottungszonen offensichtlich als biologisch bedrohliche Umgebungen wahrnehmen: Beim direkten Kontakt mit sich zersetzendem Pflanzenmaterial wird das Wurzelwachstum stark gehemmt. Zudem werden Signalwege aktiviert, die mit der Abwehr von Krankheitserregern zusammenhängen.
Dann wiesen sie in Experimenten mit der Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) sowie mit Kulturpflanzen wie Raps, Paradeisern und Weizen nach, dass sich Wurzeln aktiv von verrottendem Pflanzenmaterial wegbiegen. Die Wurzeln machten einen großen Bogen um Zonen mit moderndem Material wie Äpfel, Blätter oder Sägemehl. Tierisches verrottendes Material wie kleine Stücke Hühnerfleisch hatte hingegen keinen Einfluss auf das Wurzelwachstum. "Saprotropismus" ist also offensichtlich "keine allgemeine Reaktion auf Verwesung, sondern eine gezielte Reaktion auf pflanzlichen Verwesungsstoff", so Friml.
Die Suche nach den chemischen Signalen, die die Wurzeln zur Ausweichbewegung bringen, führte das Forschungsteam zu den Mikroorganismen, insbesondere Pilzen, die das abgestorbene Pflanzenmaterial zersetzen. Dabei setzen die Pilze organische Säuren frei, die in den umgebenden Boden diffundieren und so für ein Gefälle des pH-Werts im Boden sorgen. Die Wurzeln nutzen diese unterschiedlichen Säurewerte als Orientierungshilfe, um von der sauren Seite wegzuwachsen. Sobald das Pflanzenmaterial fast vollständig zersetzt war, nahm der Säuregrad in der Umgebung wieder ab und die Wurzeln hörten auf, sich davon wegzubiegen.
Während bei vielen Tropismen das Pflanzenhormon Auxin entscheidend für das gerichtete Wachstum verantwortlich zeichnet, spielt beim "Saprotropismus" das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) die entscheidende Rolle. Wenn Zellen an der Wurzeloberfläche auf unterschiedlichen Seiten unterschiedliche pH-Werte feststellen, verändert sich die Verteilung von ABA und eine Wurzelseite beginnt anders zu wachsen als die andere - die Wurzel beginnt, sich von der Verrottungszone wegzubiegen.
Die Arbeit liefert nicht nur neue Einblicke darin, wie sich Pflanzenwurzeln in komplexen unterirdischen Umgebungen orientieren, um schädliche mikrobielle Zonen zu meiden. Die Forscher hoffen damit auch dazu beizutragen, neue Ansätze in der Landwirtschaft, der Bodenbewirtschaftung und der Widerstandsfähigkeit von Kulturpflanzen zu entwickeln. So sieht Zhang etwa landwirtschaftliche Praktiken kritisch, bei denen das übermäßige Einarbeiten von Ernterückständen große Verrottungszonen schafft. Das könnte die Anfälligkeit von Pflanzen für schädliche Mikroben erhöhen und Wurzelkrankheiten begünstigen.
(SERVICE - Link zur Studie: https://doi.org/10.1126/science.adw6568 )
KLOSTERNEUBURG - ÖSTERREICH: FOTO: APA/APA/Science/Bao et al
