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Pflanzenforschung.de: Berührende Momente

11.06.2018

Mais warnt Nachbarpflanzen über die Wurzeln, wenn es oben eng wird

Da Pflanzen immobil sind, ist der Austausch von Informationen über ihre Umwelt für sie lebenswichtig.Jetzt haben Forscher entdeckt, dass Wurzelausscheidungen oberirdische Enge mitteilen und so das Wachstum der Nachbarpflanzen beeinflussen.

Pflanzen verfügen über ein komplexes System aus Signalen, über das sie Informationen austauschen und so auf ihre Umwelt reagieren. Die Reize, die ihr Verhalten steuern, umfassen Licht, Klänge, Berührungen, vor allem aber biochemische Signale, die von Trieben oder Wurzeln abgesondert werden. So erkennen Pflanzen beispielsweise anhand von Wurzelausscheidungen den Verwandtschaftsgrad benachbarter Pflanzen und orientieren daran die Richtung ihres Wachstums.

Auch mechanische Signale können einen Hinweis darauf geben, dass eine Pflanze Nachbarn hat, beispielsweise wenn sich durch Wind Blätter berühren. So stoppen Baumkronen ihr Wachstum in bestimmte Richtungen unmittelbar an der Grenze zu benachbarten Kronen, ein Phänomen, das als "Kronenscheu" bekannt ist. Jetzt wollten Forscher noch mehr darüber erfahren. Sie stellten sich die Frage, ob die oberirdische Kommunikation durch mechanische Reize vielleicht auch unterirdisch weiter kommuniziert wird. So könnte auch das Wurzelwachstum nach den Nachbarschaftsbeziehungen angepasst werden.

Maissetzlinge mit und ohne Berührung

Eine internationale Forschungsgruppe hat das jetzt ein Stück weit beantwortet. Ziel ihrer Studie war es, herauszufinden, ob Wurzelausscheidungen chemische Informationen enthalten, dass oberirdisch Enge herrscht. Die Wissenschaftler haben dazu drei Experimente mit Maissetzlingen in hydroponischen Kulturen durchgeführt.

Zunächst erzeugte das Team um Velemir Ninkovic von der schwedischen landwirtschaftlichen Universität in Upsala zwei Nährlösungen: eine, in der Mais wuchs, dessen Blätter jeden Tag für eine Minute mit Rouge-Pinseln berührt wurden, und eine Kontrolllösung, in der die Maispflanzen berührungslos wuchsen.

Wurzelwahl-Experiment

Anschließend platzierten die Wissenschaftler 36 neue Maissetzlinge in Y-förmige Töpfe, in denen die Pflanzen ihre Wurzeln in das linke und/oder rechte Bein des umgekehrten Ypsilons entwickeln konnten. Im linken Bein befand sich die Nährlösung des an den Blättern gepinselten Maises, im rechten Bein befand sich die ansonsten identische Kontrolllösung. Die Wurzeln entwickelten sich in etwa zwei Drittel der Fälle in Richtung der Kontrolllösung. Manchmal wuchsen Wurzeln auch zunächst in Richtung der Lösung der "berührten" Pflanzen, änderten dann aber ihre Entwicklung in Richtung der Kontrolllösung. Der umgekehrte Fall trat in der Studie hingegen nicht auf. "Dieses Ergebnis demonstriert die Fähigkeit der Wurzeln, zwischen den beiden Nährlösungen zu unterscheiden", resümieren die Pflanzenforscher.

Austausch-Experiment

In einem zweiten Experiment wuchsen je vier Maispflanzen ab dem Vier-Blatt-Stadium in einem Gefäß mit hydroponischer Nährlösung und wurden sieben Tage lang nach dem obigen Prinzip berührt. In einem ansonsten identischen Kontrollgefäß unterblieb die Berührung. Nach den sieben Tagen wurden die Pflanzen in beiden Gefäßen entfernt und durch neue Setzlinge im Zweit-Blatt-Stadium ersetzt. Jetzt erfolgte keine weitere Berührung. Nach weiteren sieben Tagen bestimmte das Forscherteam die Biomasse der Setzlinge.

Das Trockengewicht der Pflanzen war in beiden Varianten praktisch identisch. Allerdings hatten die Pflanzen in der Nährlösung der zuvor berührten Pflanzen ein geringes Wurzelgewicht und mehr oberirdische Biomasse entwickelt. "Diese Verlagerung weist auf ein spezifisches Muster der Biomasseverteilung zwischen den Organen einer Pflanze hin, über das sie versucht, sich an die gegebenen Bedingungen anzupassen", folgern die Forscher.

Teilungsexperiment

Im letzten Experiment wuchsen je vier Maispflanzen gemeinsam in einem Gefäß. Zwei von ihnen berührten die Forscher nach dem bekannten Muster mit einem Rouge-Pinsel, zwei bleiben unberührt. Oberirdisch waren die beiden Paare durch eine Scheibe getrennt, sodass kein Luftaustausch möglich war. Die einzige Verbindung zwischen den beiden Gruppen bestand "unterirdisch" in der Nährlösung.

Nach sechs Berührungstagen erfolgte auch hier die Analyse der Biomasse. Die nicht berührten Pflanzen hatten eine signifikant größere Biomasse entwickelt als jene, die täglich berührt wurden. Dabei hatten die Pflanzen die zusätzliche Biomasse vor allem in den Stängel investiert. In Kontrollgefäßen, in denen keine Pflanzen berührt worden waren, war das Wachstum geringer. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass die oberirdische Kommunikation von Pflanze zu Pflanze in Form kurzer Berührungen durch unterirdische Kommunikation Reaktionen in nahen, nicht berührten Pflanzen hervorrufen kann", erläutern die Wissenschaftler.

Wie die Kommunikation über die Nährlösung genau erfolgt ist, konnte die Forschungsgruppe nicht aufklären. Bei Analysen der Wurzelausscheidungen fielen keine Unterschiede in der Zusammensetzung berührter und nicht berührter Pflanzen auf. Möglicherweise traten die entscheidenden Moleküle in zu geringer Konzentration für einen Nachweis auf, die Nachweismethoden waren ungeeignet oder die Substanzen waren so volatil oder instabil, dass sie bei der Aufbereitung der Proben verloren gingen.

Konsequenzen für die praktische Pflanzenforschung

Das Studienergebnis hat auch ganz praktische Bedeutung für den Laboralltag. Weil Wachstum und Biomasseverteilung bei benachbarten Pflanzen durch Berührungen während der Experimente beeinflusst werden könnten, warnen die Autoren der Studie vor den Folgen: "Die Ergebnisse haben zur Folge, dass bei der Interpretation von Experimenten zur Interaktion zwischen Pflanzen immer berücksichtigt werden muss, wie sehr die Pflanzen während des Experiments berührt worden sind - beispielsweise für Messungen."

Quelle: Elhakeem, A. et al. (2018): Aboveground mechanical stimuli affect belowground plant-plant communication.In: PLoS ONE 13(5), e0195646, (2. Mai 2018), doi: 10.1371/journal.pone.0195646.

Quelle: Journalbeitrag Pflanzenforschung.de, 25. Mai 2018

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