Wurzeln meiden verrottende Pflanzen

Sich zersetzendes Material prägt das Leben im Boden, kann für wachsende Wurzeln aber auch lebensfeindliche Räume schaffen. Professor Jiří Friml vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und internationale Kolleg:innen haben nun den „Saprotropismus“ identifiziert, eine Reaktion der Wurzeln, die Pflanzen von verrottendem pflanzlichem Material wegführt – nicht jedoch von tierischen Abfällen. Die Studie unter der Leitung von Yuzhou Zhang, Professor an der Northwest A&F University in China, wurde in Science veröffentlicht und zeigt, wie Wurzeln ihre Wachstumsrichtung anpassen, indem sie lokale pH-Gradienten rund um verrottendes Material wahrnehmen.

Pflanzen können nicht vor Gefahren davonlaufen oder auf etwas zulaufen, das sie haben wollen. Stattdessen passen sie die Richtung an, in die sie wachsen. Triebe biegen sich dem Licht zu (ein bekanntes Phänomen namens Phototropismus), Wurzeln und Triebe nutzen die Schwerkraft, um nach unten bzw. nach oben zu wachsen (Gravitropismus) und Wurzeln können sich auch in Richtung Wasser biegen (Hydrotropismus). Diese richtungsabhängigen Wachstumsreaktionen, bekannt als Pflanzentropismen, helfen Pflanzen, in sich verändernden Umgebungen zurechtzukommen. Nun beschreiben Forschende aus China und Österreich ein neues Mitglied dieser Familie: den Saprotropismus, abgeleitet von „sapro“, was „verfault“ oder „verrottend“ bedeutet.

„Über die klassischen Tropismen wie Gravitropismus, Phototropismus und Hydrotropismus hinauszugehen, war Yuzhous Idee“, sagt Co-Autor Jiří Friml, Professor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Als Alum meiner Gruppe am ISTA hat er diese Frage weiterverfolgt und den Saprotropismus sowie die dahinterstehenden Mechanismen identifiziert.“

Saprotropismus: Tote Pflanzen sind pfui.

Die Forschenden zeigten zunächst, dass der direkte Kontakt mit verrottendem Pflanzengewebe das Wurzelwachstum stark hemmte und Abwehrwege aktivierte, die mit Immunität und Krankheitserregern zusammenhängen. Mit anderen Worten: Die Wurzeln behandelten diese Verrottungszonen als biologisch bedrohliche Umgebungen.

„Tiere meiden instinktiv verdorbene Nahrung, weil die oft schädliche Mikroben in sich trägt“, sagt der leitende Autor Yuzhou Zhang, Professor an der Northwest A&F University in China und ehemaliges Mitglied der Friml-Gruppe am ISTA. „Wir haben uns gefragt, ob Pflanzen, obwohl sie unbeweglich sind, unter der Erde vielleicht eine vergleichbare Strategie entwickelt haben.“

Und tatsächlich tun sie das: Der neu identifizierte Tropismus ermöglicht es den Wurzeln, sich aktiv von verrottendem Pflanzenmaterial wegzubiegen. In Experimenten mieden die Wurzeln Verrottungszonen aus ‚fleischigem‘ Material wie Äpfeln oder Blättern und – entgegen anfänglichen Annahmen – auch aus holzigem Material wie Sägemehl.

Tote Tiere stören Pflanzen nicht

Als die Forschenden jedoch tierischen Verwesungsstoff, wie zum Beispiel kleine Stücke Hühnerfleisch, testeten, zeigten die Wurzeln keine gerichtete Wachstumsreaktion.

„Eine der auffälligen Erkenntnisse war daher, dass die Wurzeln nicht einfach alles vermieden, was verfault war“, sagt Friml. „Sie reagierten spezifisch auf zerfallendes Pflanzenmaterial. Das zeigt uns, dass Saprotropismus keine allgemeine Reaktion auf Verwesung ist, sondern eine gezielte Reaktion auf pflanzlichen Verwesungsstoff.“

Diese Reaktion wurde nicht nur bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) beobachtet, sondern auch bei Kulturpflanzen wie Raps, Tomaten und Weizen – was darauf hindeutet, dass Saprotropismus unter Pflanzen weit verbreitet ist.

Die Wirkung eines winzigen ‚Pflanzenfriedhofs‘ beobachten

Das Team fand heraus, dass ein entscheidendes Signal von Mikroorganismen, insbesondere Pilzen, ausgeht, wenn diese abgestorbenes Pflanzenmaterial zersetzen. Während der Zersetzung setzen Pilze saure Stoffwechselprodukte frei, darunter organische und phenolische Säuren. Diese Verbindungen diffundieren in den umgebenden Boden und erzeugen stabile lokale pH-Gradienten um das verrottende Material herum. Wurzeln können dieses Säuremuster bereits vor dem direkten Kontakt wahrnehmen und nutzen es als Orientierungshilfe, indem sie sich von der saureren Seite wegbiegen.

Der „Pflanzenfriedhof“ sendet jedoch kein dauerhaftes Warnsignal – es hört automatisch auf, sobald das Material zu Erde geworden ist. „Sobald das Pflanzenmaterial fast vollständig zersetzt war, schwächte sich das saure Warnsignal ab – und die Wurzeln hörten auf, sich davon wegzubiegen“, erklärt Zhang.

Um den Prozess unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen, nutzten die Forschenden ein vertikales Split-Agar-System – eine flache, aufrechtstehende Platte, in der verschiedene Agar-Medien einen definierten chemischen Gradienten erzeugen. Während die Wurzeln entlang der Platte nach unten wachsen, können Wissenschafter:innen beobachten, ob sie sich auf ein bestimmtes Signal hin oder davon weg biegen, wie zum Beispiel den mit der Zersetzung verbundenen Säuregehalt.

„Am ISTA nutzen wir seit vielen Jahren ähnliche Systeme, um zu untersuchen, wie Wurzeln in Richtung Wasser wachsen“, sagt Friml. Zu diesem speziellen Zweck war am Institut ein spezielles Vertikalmikroskop konstruiert worden. „Nun half dasselbe Setup dabei, ein gegenteiliges Verhalten aufzudecken: Wurzeln, die sich von einem potenziell schädlichen Reiz wegbewegen. Und anders als bei anderen Tropismen ist der Hauptakteur nicht das Pflanzenhormon Auxin.“

Wurzeln tanzen zum Klang von ABA

Innerhalb der Wurzel wird ein externes Signal in eine Wachstumsentscheidung umgewandelt: Zellen an der Wurzeloberfläche erkennen, dass eine Seite der Wurzel einem stärkeren Säuregehalt ausgesetzt ist als die andere. Dieses ungleichmäßige Signal verändert die Verteilung des Pflanzenhormons Abscisinsäure (ABA) über die Wurzelspitze hinweg. Infolgedessen wird das innere Gerüst der Wurzelzellen neu angeordnet, was dazu führt, dass eine Seite der Wurzel anders wächst als die andere. Die Wurzel biegt sich dann von dem verrottenden Pflanzenmaterial weg.

„Unsere Forschung zeigt, dass verrottendes Pflanzenmaterial nicht nur eine passive Nährstoffquelle ist“, erklärt Zhang. „Es schafft eine chemische Landschaft, die Wurzeln lesen können. Der Saprotropismus zeigt, wie Pflanzen die mikrobielle Aktivität im Boden interpretieren und entsprechend Wachstumsentscheidungen treffen.“

Grundlagenforschung mit Relevanz für Landwirtschaft und Ernährungssicherheit

Die Entdeckung des Saprotropismus – ein von den Autor:innen der Studie geprägter Begriff – eröffnet neue Forschungsansätze, beispielsweise dazu, wie Wurzeln mikrobielle Aktivität im Boden interpretieren. Langfristig könnte ein besseres Verständnis solches Verhaltes von Wurzeln dazu beitragen, Ansätze in der Landwirtschaft, der Bodenbewirtschaftung und der Widerstandsfähigkeit von Kulturpflanzen zu entwickeln.

„Landwirtschaftliche Praktiken wie das übermäßige Einarbeiten von unverrotteten Ernterückständen können große Verrottungszonen schaffen, die die Fähigkeit der Wurzeln übersteigen, diese zu umgehen. Das erhöht möglicherweise die Anfälligkeit für schädliche Mikroben und begünstigt Wurzelkrankheiten“, erklärt Zhang. Das Verständnis der molekularen Grundlagen des Saprotropismus eröffnet neue Möglichkeiten, Nutzpflanzen zu entwickeln, die besser in der Lage sind, pathogenreiche Umgebungen zu erkennen und zu meiden. „In Zukunft könnten Züchtungen oder gentechnisch veränderte Sorten mit einer stärkeren Fähigkeit zur ‚Vermeidung von Verrottungszonen‘ herkömmliche Strategien zur Krankheitsresistenz ergänzen. So könnte man Begegnungen zwischen Wurzeln und Krankheitserregern verhindern, bevor es zu einer Infektion kommt“, skizziert er.

Publikation:

Zhulatai Bao, Huihui Wang, Ai Zhang, Ruxi Gao, Wen Gu, Ni Fan, Jiří Friml, and Yuzhou Zhang. 2026. Roots navigate around decay regions by sensing local pH gradients. Science. DOI: 10.1126/science.adw6568

Projektförderung:

Das Projekt wurde unterstützt durch Mittel von: Qin Chuangyuan High-level Innovation and Entrepreneurship Talent Program QCYRCXM-2022-237, Fundamental Research Funds for the Central Universities K20200168, National Natural Science Foundation of China 32570375, National Natural Science Foundation of China 32400699, European Research Council (ERC, CYNIPS) 101142681, und dem Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF: P 37051-B.