Gefilmt: Das Gespür der Wurzeln für Wasser

Kurz & Knapp

Pflanzen bilden ihre Seitenwurzeln unabhängig von Nährstoff- oder Wasserangebot zunächst gleichmäßig an allen Seiten der Hauptwurzel.
Bereits nach wenigen Zellteilungen orientieren sich alle Seitenwurzeln dorthin, wo sich Wasser und Nährstoffe befinden.
Das hat ein Team um Frankfurter Biophysiker mithilfe einer hochauflösenden 3D-Mikroskopietechnik gefilmt.

3D-Mikroskopietechnik ermöglicht neue Einblicke

Pflanzen scheinen einen Sinn dafür zu haben, wo im Boden sich Wasser und Nährstoffe befinden. Zwar bilden sich die Seitenwurzeln zunächst an allen Seiten der Hauptwurzel, wachsen aber sofort in die richtige Richtung. Das hat ein internationales Forscherteam mithilfe der Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie beobachtet.

Pflanzen wachsen zum Licht – diese Weisheit haben die meisten Menschen wohl schon mal gehört. Biophysiker der Goethe-Universität Frankfurt am Main haben nun mit Kollegen aus Heidelberg und dem britischen Nottingham eine zweite Weisheit hinzugefügt: Pflanzenwurzeln wachsen zum Wasser. Mit einem besonderen Experimentalaufbau und einer hochauflösenden 3D-Mikroskopietechnik konnte das Team nachweisen, dass schon ganz junge Wurzeln einen „Riecher“ für Wasser haben.

Pflanzen – mit Ausnahme von Farnen – bilden grundsätzlich zwei Arten von Wurzeln: Die Hauptwurzel, die in die Tiefe wächst und die Pflanze im Boden verankert, und viele kleine Seitenwurzeln, mit denen die Pflanze den Boden in alle Richtungen erkundet und Nährstoffe aufnimmt.

Von Beginn an zu Wasser und Nährstoffen

Für das Wurzelkino-Experiment, über das die Frankfurter Forscher im Fachjournal „Nature Plants“ berichten, wuchsen Exemplare der Modellpflanze Ackerschmalwand zwischen zwei transparenten Scheiben. Ihre Hauptwurzel steckte jedoch nicht vollständig in der Nährlösung zwischen den Scheiben, sondern war zum Teil der Luft ausgesetzt.

Zunächst bildete die Pflanze nun überall um die Hauptwurzel gleichmäßig viele Seitenwurzeln, auch dort, wo diese sich an der Luft befanden. Dann richteten alle Seitenwurzeln – auch jene an der Luft – ihre Spitzen in Richtung Wasser und wuchsen gezielt dorthin. „Pflanzen verzweigen ihre Wurzeln also erst einmal in alle Richtungen, aber schon mit den ersten Zellteilungen weiß die Wurzel offenbar, wo sie Wasser und Nährstoffe findet“, sagt Erstautor Daniel von Wangenheim.

Wurzelkino per Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie: Keimlinge der Ackerschmalwand werden dazu aufrecht in einem Gel montiert und werden mit Laserlicht beleuchtet. © Daniel von Wangenheim

Flexibel auf Ressourcen reagieren

Für die Pflanze hat dieses Vorgehen den großen Vorteil, dass sie flexibel auf das Ressourcenangebot im Boden reagieren und die Wuchsform ihrer Wurzeln entsprechend anpassen kann. Denn insbesondere die Feinwurzeln an den Seitenwurzeln haben eine kurze Lebensdauer und können bedarfsabhängig neu gebildet werden.

Möglich wurde die jetzt vorgestellte Beobachtung durch die sogenannte Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie, mittels derer von Wangenheim viele Stunden Filmmaterial mit dem 3D-Mikroskop gewonnen hat. Entwickelt wurde die Methoden von seinem Doktorvater, dem Frankfurter Biologen Ernst Stelzer. Ein Zeitraffervideo der Forscher auf Twitter erläutert die Methode und zeigt die Beobachtungen.

Weitere Informationen

Pressemitteilung: Wie Wurzeln zum Wasser finden

In Kooperation mit bioökonomie.de

Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

Das Wissenschaftsjahr 2020/21 widmete sich dem Thema Bioökonomie. Knapper werdende Ressourcen und Nutzflächen bei gleichzeitig wachsender Weltbevölkerung, Klimawandel und Rückgang der Artenvielfalt – all dies sind globale Herausforderungen. Eine Umstellung ist daher notwendig: weg von einer Wirtschaftsform, die auf fossilen Ressourcen basiert, hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaftsweise – der Bioökonomie. Die Wissenschaft treibt diese Innovationen voran und sorgt dafür, dass Mikroorganismen, Proteine, Algen und weitere „kleine Helden“ der Bioökonomie große Wirkung entfalten. Bürgerinnen und Bürger wurden aufgefordert, diesen Wandel im Dialog mit Wissenschaft und Forschung und im Rahmen zahlreicher Diskussions- und Mitmachformate im Wissenschaftsjahr aktiv mitzugestalten.