2. August 2019

Als die Pflanzenwurzel lernte, der Schwerkraft zu folgen

Zentrale Evolutionsschritte von Schwerkraft-orientiertem Wurzelwachstum identifiziert

Links: langsamer Gravitropismus beim Farn C. richardii nach 0, 6, 12, 24 und 36h; rechts: schneller Gravitropismus beim Nacktsamer P. taeda nach 0, 1, 3, 6 und 12h © IST Austria – Yuzhou Zhang/Friml Gruppe

Die Wurzeln höher entwickelter Pflanzen folgen im Zuge ihres Wachstums der Schwerkraft. Wie und wann dieser Evolutionsschritt der Schwerkraft-Wahrnehmung erfolgte, war bislang nicht bekannt. PflanzenbiologInnen am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) gelang es nun, entscheidende Bausteine und Prozesse zu identifizieren, die sich erstmalig vor rund 350 Millionen Jahren mit Aufkommen der Samenpflanzen ausbildeten, um schnelles und effizientes Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft zu ermöglichen. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Die Ausbreitung von Pflanzen vom Wasser auf das Land vor ungefähr 500 Millionen Jahren zählt wohl zu den bedeutendsten Schritten im Zuge der Evolution des Lebens auf der Erde. Um sich in dieser neuen Umgebung behaupten zu können, mussten Pflanzenwurzeln jedoch die Eigenschaft entwickeln, der Schwerkraft folgend nach unten zu wachsen – ein Phänomen, das auch unter dem Begriff Gravitropismus bekannt ist. Denn nur so war es ihnen möglich, sich fest im Boden zu verankern und an ausreichend Wasser und Nährstoffe zur Versorgung der oberirdischen Pflanzenteile zu gelangen. Der dem Gravitropismus zugrundeliegende Prozess ist in Blütenpflanzen wie Arabidopsis thaliana sehr gut untersucht. Ein systematischer Vergleich über das gesamte Pflanzenreich hinweg und entsprechende Kenntnis über seine evolutionären Ursprünge fehlten jedoch bislang.

Die Evolution der Landpflanzen (vereinfacht). Vor rund 500 Millionen Jahren begannen Pflanzen vom Wasser aus den Lebensraum Land zu erobern. © IST Austria

Nach unten wachsen ist nicht schwer, dies schnell zu tun dagegen sehr

Nun gelang es Yuzhou Zhang, Postdoc in der Gruppe von Professor Jiří Friml, und seinem Team, erstmalig einen Einblick in die Entstehung des Wurzelgravitropismus zu erlangen. Dazu ließen die ForscherInnen die Wurzeln verschiedener Pflanzenarten unterschiedlichen evolutionären Alters – Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blühpflanzen – in waagrechter Position wachsen und beobachteten dabei, ob und wann die Wurzeln begannen, sich nach unten zu biegen, um der Schwerkraft zu folgen. Das Ergebnis: Bereits in den primitivsten Landpflanzen, den Moosen, sowie den frühen Gefäßpflanzen, den Bärlappgewächsen und Farnen, fand von der Schwerkraft getriebenes Wurzelwachstum statt, allerdings nur in sehr rudimentärem Ausmaß und zudem sehr langsam. Erst Samenpflanzen (Nacktsamer und Blühpflanzen), die erstmalig vor rund 350 Millionen Jahren auftraten, zeigten ein schnelleres und damit viel effizienteres Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft.

Die Kraft der Stärke

Aber welcher Entwicklungsschritt ermöglichte dieses rasche Reagieren auf die Schwerkraft? Durch die Analyse der einzelnen Phasen des Gravitropismus – von der Wahrnehmung der Schwerkraft über die Weiterleitung des gravitropen Signals bis zu den tatsächlichen Wachstumsvorgängen – stießen die WissenschafterInnen auf zwei zentrale Bausteine bzw. Prozesse, welche sich parallel entwickelten. In der Wurzelspitze sedimentieren mit Stärkekörnern vollgepackte Pflanzenorganellen namens Amyloplasten in Reaktion auf die Schwerkraft nach unten und fungieren so als Schwerkraft-Sensoren. Wie sich nun herausstellte, lagern sich die Amyloplasten in Folge dieses schon bekannten Sedimentationsprozesses jedoch ausschließlich in Nacktsamern und Blühpflanzen am untersten Ende der Wurzelspitze an. In früheren Pflanzen liegen die Amyloplasten hingegen mehr oder weniger zufällig im Wurzelgewebe verteilt vor und erfüllen damit nicht dieselbe sensorische Funktion wie in den Samenpflanzen.

Spezifische Verteilung der mit Stärkekörneren (schwarze Punkte) gefüllten Amyloplasten in der Wurzel des Farns C. richardii (links) sowie der Samen- und Blühpflanze A. thaliana (rechts). Die Amyloplasten im Farn liegen sowohl oberhalb als auch innerhalb der Wurzelspitze, während sie sich bei Samenpflanzen nach Sedimentation in Folge der Schwerkraft vollständig im unteren Bereich der Wurzelspitze ansammeln. © IST Austria – Yuzhou Zhang/Friml Gruppe

Ein spezieller PIN als Code für Auxin

Nach der Wahrnehmung der Schwerkraft durch die Amyloplasten wird das Schwerkraft-Signal über das Wachstumshormon Auxin von Zelle zu Zelle weitertransportiert. Mittels genetischer Analysen konnten die WissenschafterInnen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein spezifisches Transportermolekül namens PIN2 identifizieren, welches den Auxinfluss steuert und damit das Wurzelwachstum in die Wege leitet. Während verschiedene PIN-Proteine im Großteil aller grünen Pflanzen vorkommen, zeigten die Versuche, dass nur das spezifische PIN2-Molekül zu einer Polarisierung der Zellen führt, indem es sich an der sprossseitigen Seite der Epidermiszellen anlagert. Diese Polarisierung wiederum ermöglicht den Transport von Auxin vom Ort der Schwerkraft-Wahrnehmung hin zur Wachstumszone.

Rechts: Keimling einer Samenpflanze mit normalem Wurzelwachstum bei intaktem Gravitropismus; links: Keimling mit deformierter Wurzel bei gestörtem Gravitropismus (PIN2-Mutation) © IST Austria – Yuzhou Zhang/Friml Gruppe

Von den Pflanzen lernen

Durch die Identifizierung und Analyse dieser Bausteine und Prozesse gewannen die WissenschafterInnen wichtige Einblicke in die Evolution des Phänomens des Wurzelgravitropismus und somit in einen der zentralen Anpassungsprozesse von Samenpflanzen an das Leben an Land. Doch auch praktische Anwendungsmöglichkeiten lassen sich von den Ergebnissen der aktuellen Studie ableiten: „Nun, da wir beginnen zu verstehen, was Pflanzen brauchen, um sich fest im Boden zu verankern, um an Wasser und Nährstoffe in tieferen Bodenschichten zu gelangen, können wir eines Tages vielleicht Methoden entwickeln, um zum Beispiel den Anbau von Nutzpflanzen auf sehr trockenen Böden zu erleichtern“, meint Zhang, der seit 2016 am IST Austria forscht. Er ergänzt: „Die Natur ist viel klüger als wir; es gibt so vieles, was wir von Pflanzen lernen können, was schlussendlich uns Menschen zugutekommen kann.“


Publikation

Yuzhou Zhang, Guanghui Xiao, Xiaojuan Wang, Xixi Zhang & Jiří Friml. 2019. Evolution of fast root gravitropism in seed plants. Nature Communications. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1038/s41467-019-11471-8

Forschungsförderung

Dieses Projekt wurde durch Mittel des European Research Council (ERC) im Zuge des Horizon 2020 Research and Innovation Programs der EU (Vertrag-Nr. 742985), des Wissenschaftsfonds FWF (Vertrag-Nr. I 3630-B25) sowie des IST Fellow Programs finanziert.



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