Ein effizientes Wurzelsystem verfügt über eine Architektur, die effektiv Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufnimmt und zum Spross transportiert. Die Wurzelarchitektur wird durch äußere Aspekte wie Bodenwassergefälle und innere Aspekte wie die Menge an Kohlenhydraten gesteuert, die jeder einzelnen Wurzelspitze zugeführt werden.
Mehrere Schlüsselfaktoren beeinflussen die Menge an Kohlenhydraten, die die Wurzeln erreichen. Dazu gehört die Menge der erzeugten und genutzten Kohlenhydrate und wie leicht sich die Kohlenhydrate durch die Pflanze bewegen können. Die Leichtigkeit der Kohlenhydratbewegung, die als Widerstand gemessen wird, wird durch den Durchmesser der Phloem-Siebröhren reguliert.
Die experimentelle Bestimmung der unabhängigen Auswirkungen dieser Faktoren auf das Wurzelwachstum stellt eine Herausforderung dar. Allerdings a aktuelle Veröffentlichung in in silico Anhand von Pflanzen wurde demonstriert, wie computergestützte Modellierung genutzt werden kann, um den Einfluss des Phloemwiderstands auf das Wurzelwachstum zu quantifizieren..
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Xiao-Ran Zhou vom Institut für Bio- und Geowissenschaften des Forschungszentrums Jülich und seine Kollegen nutzten eine Kombination aus rechnergestützten Pflanzenmodellen (CPlantBox und Piaf Munch), um experimentelle Erkenntnisse darüber zu verstehen, wie lokale anatomische Merkmale des Phloems die Architektur des Wurzelsystems beeinflussen.
In ihrer Studie führten die Autoren Simulationen zur Manipulation des Phloemwiderstands in den Wurzeln durch und untersuchten, wie sich dieser auf die lokale Verteilung von Kohlenhydraten innerhalb der Wurzeln auswirkt. Sie untersuchten speziell die Auswirkungen sowohl auf die primäre Pfahlwurzel als auch auf die kleineren Seitenwurzeln, die sich horizontal oder diagonal von der Pfahlwurzel erstrecken, und analysierten sie separat.
In einer Simulation manipulierten die Forscher den Pfahlwurzel-Siebrohrdurchmesser in drei Pflanzen und stellten ihn auf 50 %, 100 % oder 200 % ein. In einer anderen Simulation stellten sie den Siebrohrdurchmesser der Seitenwurzeln bei drei Pflanzen einheitlich auf 50 %, 100 % oder 150 % ein. Ihre Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Phloem-Widerstandsfähigkeit einer Wurzel sowohl die Primär- als auch die Seitenwurzeln eine Verringerung der Kohlenhydratverfügbarkeit erfuhren, was zu einem Rückgang des Wurzelwachstums führte.
Um die Auswirkungen von Phloemradiusänderungen auf das Wurzelwachstum innerhalb des gesamten Wurzelsystems oder lokal zu untersuchen, führten die Forscher eine Simulation von drei Pflanzen mit Seitenwurzeln mit heterogenen Pfahlwurzel-Siebrohrdurchmessern von 50 %, 100 % und 150 % durch. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Veränderungen im Pfahlwurzel-Siebrohrwiderstand jede einzelne Wurzel lokal beeinflussten, ohne die benachbarten Wurzeln zu beeinflussen.
Diese Experimente veranschaulichen den direkten Zusammenhang zwischen der Phloemanatomie und der Begrenzung des Kohlenstoffflusses als senkenbegrenzendem Faktor innerhalb der Pflanze. Wenn der Widerstand entlang des Kohlenhydratflusses übermäßig hoch wird, führt dies zu einer Verringerung des Kohlenhydratflusses und beeinträchtigt dadurch das Wachstum einzelner Wurzeln.
Zhou kommt zu dem Schluss: „Diese Ergebnisse liefern ein erstes Beispiel dafür, dass die Merkmale einzelner Wurzeln innerhalb des Wurzelsystems, wie etwa ihre Wachstumsrate und Endlänge, nicht vorbestimmt sind, sondern als entstehende Eigenschaften des Systems entstehen.“ Diese Entdeckung unterstreicht die Bedeutung der Integration flexiblerer Darstellungen des Wurzelsystems in Rechenmodelle.“
DER ARTIKEL::
Xiao-Ran Zhou, Andrea Schnepf, Jan Vanderborght, Daniel Leitner, Harry Vereecken, Guillaume Lobet, Phloem-Anatomie schränkt die Entwicklung der Wurzelarchitektur ein: theoretische Hinweise aus in silico Experimente, in silico Plants, Band 5, Ausgabe 2, 2023, diad012, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad012
