Wurzeln mit Gaspedal und Bremse

Ob sie sich der Sonne entgegenstrecken oder Samen bilden – Pflanzen brauchen das Hormon Auxin, um zu wachsen. In ihren Wurzeln hemmt es jedoch das Wachstum. Forscher_innen des Institute of Science and Technology (IST) Austria haben nun einen Mechanismus entdeckt, mit dem Wurzeln schnell auf Hindernisse reagieren und geeigneten Boden finden können. Mit ihrer im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie erweitern sie das Wissen über das Wurzelwachstum grundlegend, was der Landwirtschaft helfen könnte, leistungsfähigere Pflanzen zu finden.

Es ist nicht leicht, eine Wurzel zu sein. Auf der Suche nach Nährstoffen muss sie sich ihren Weg durch dichten Boden, Stellen mit zu wenig oder viel zu viel Wasser bahnen und um Steine herum wachsen. Um diese Herausforderungen zu meistern, brauchen Pflanzenwurzeln ein feines Gleichgewicht zwischen Wachstum und Stillstand. „Wenn Ihr Auto in der Rushhour nur ein Gaspedal hätte, würden Sie schnell einen Unfall verursachen. Man braucht dringend eine Bremse“, sagt Erstautorin Inge Verstraeten, bis vor kurzem Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Professor Jiří Friml. Gemeinsam mit Co-Erstautorin Lanxin Li entdeckte sie zwei gegenläufige Mechanismen, mit denen die Wurzeln der weißblühenden Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, ihr Wachstum sehr schnell regulieren können. Für ihre umfassende Studie arbeitete die Friml-Gruppe unter anderem mit Forscher_innen des belgischen VIB Center for Plant Systems Biology, der niederländischen Wageningen University und der japanischen Nagoya University zusammen.

Schneller als die Gene

Um die Vorgänge in den Wurzeln von Arabidopsis genau zu beobachten, verwendeten die Biolog_innen ein speziell am IST Austria entwickeltes vertikales Konfokalmikroskop. Statt eines horizontalen hat es einen vertikalen Objekttisch. Damit können Pflanzen in Echtzeit beobachtet werden, so wie sie normalerweise wachsen: Wurzeln nach unten und Spross nach oben. Für ihr Experiment ließen Lanxin Li, Inge Verstraeten und ihre Kolleg_innen die Wurzeln in kleinen mit Flüssigkeit gefüllten Kämmerchen wachsen, um die Menge des Pflanzenhormons Auxin im Wachstumsmedium leicht verändern zu können.

Bisher war man davon ausgegangen, dass Auxin durch die Regulierung der Gentranskription wirkt. Was das Team beobachtete, deutete allerdings in eine andere Richtung. „Wir haben den Auxinspiegel erhöht und sofort gesehen wie die Wurzel zu wachsen aufgehört haben. Nachdem wir das Auxin ausgewaschen haben, sind die Wurzeln innerhalb von Sekunden wieder gewachsen“, beschreibt Postdoktorandin Inge Verstraeten. Diese unmittelbare Reaktion der Wurzeln kann nicht damit erklärt werden, dass Gene im Zellkern aktiviert werden – dafür ist sie viel zu schnell. 

Saure Zellen

Im Gegensatz zu den Zellen von Tieren haben Pflanzenzellen ziemlich feste Wände. Damit sie wachsen können, weicht Auxin die Zellwände auf, sodass die Zelle mehr Wasser aufnehmen und sich ausdehnen kann. Das geschieht, indem Auxin bestimmte Moleküle dazu veranlasst, Protonen in die Zellwände zu pumpen, was zu deren Ansäuerung führt. In den Wurzeln beobachteten die Forschenden jedoch das Gegenteil – die Zellwände wurden basischer.

Umso erstaunter war das Team als es die Protonenpumpen in der Zellmembran untersuchte. Wie im Pflanzenspross wurden Protonen in die Zellwände gepumpt, was diese saurer und nicht basischer hätte machen müssen. „Es hat lange gedauert, bis wir akzeptiert haben, dass die Wurzel beides braucht – den Export von Protonen aus der Zellwand und den Import von Protonen in die Zellwand. Es funktioniert wie ein gleichzeitiges Gas-Bremse-System“, erklärt die Pflanzenwissenschafterin. Schließlich gelang es dem Team, das Enzym und den Mechanismus zu identifizieren, durch den Auxin die Protonenpumpen in der Zellmembran aktiviert, was zur Ansäuerung der Zellwände führt. Mittels eines zweiten Mechanismus, der noch nicht vollständig geklärt ist, führt Auxin gleichzeitig dazu, dass Protonen ausgeschleust und die Zellwände somit basischer werden.

Zusammen gleichen sich die beiden Mechanismen aus und ermöglichen so eine fein abgestimmte Regulierung des Wachstums. „In der Landwirtschaft werden Pflanzen benötigt, die in der Lage sind, sich schnell an eine sich verändernde Bodenumgebung anzupassen. Mit dem, was wir jetzt über Wurzeln wissen, können Pflanzen ausgewählt werden, die besser angepasst sind“, erklärt Inge Verstraeten. Als nächstes untersuchen Jiří Friml und sein Team am IST Austria, wie genau Auxin in der Zelle aufgenommen wird und welche anderen Faktoren den pH-Wert der Zellwände heben und sie somit basischer machen.

Publikation:

Lanxin Li, Inge Verstraeten & et al. 2021. Cell surface and intracellular auxin signaling for H+-fluxes in root growth. Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-04037-6

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde durch Mittel des Europäische Forschungsrat (ERC) Advanced Grant, des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) und des EU-Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020 mit dem Marie Skłodowska-Curie Grant Agreement Nummer 665385 und eines DOC Stipendiums der Österreichischen Akademie der Wissenschaften finanziert.