Weltweit arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung von Nutzpflanzen mit verbesserter Toleranz gegenüber Umweltbelastungen. So versuchen Pflanzenzüchter beispielsweise, Mais auf schwierigen Böden gedeihen zu lassen. Doch diese Herausforderung birgt ein eigenes Problem: Die Wurzeln befinden sich unter der Erde und sind daher schwer zu untersuchen. Obwohl Wurzeln für die Pflanzengesundheit von entscheidender Bedeutung sind – sie liefern Nährstoffe, Wasser und Stabilität –, werden sie in Feldstudien oft vernachlässigt.

Neue StudieDie Arbeit von Lopez-Valdivia und Kollegen ist die erste, die diese Wissenslücke anhand von Mais schließt. Landrassen aus ganz Amerika. Ihre Studie kombinierte die Wurzelanatomie von Maispflanzen in der Praxis mit Bodeneigenschaften und Computermodellen, um optimales Wurzelwachstum in verschiedenen Bodenumgebungen zu simulieren. Sie konnten sowohl spezifische Anpassungen an bestimmte Bodenbelastungen als auch breit gefächerte Anpassungen identifizieren, die für viele Bodenumgebungen geeignet sind.

"Wurzelanatomie Phänotypen „Pflanzen, die den Stoffwechselaufwand für die Bodenerkundung reduzieren, sind in vielen verschiedenen Böden nützlich. Das macht sie zu attraktiven Züchtungszielen“, sagt Prof. Jonathan Lynch, der korrespondierende Autor der Studie. „Diese Studie trägt zu den wachsenden Erkenntnissen bei, dass genetisch kontrollierte Wurzelphänotypen attraktive Ziele für die Entwicklung widerstandsfähigerer Nutzpflanzen darstellen, die in der globalen Landwirtschaft dringend benötigt werden.“

Laut Lynch ist die Nutzung von Wurzelphänotypen in der Pflanzenzüchtung bisher eher gering, nicht nur wegen der Schwierigkeiten bei ihrer Untersuchung, sondern auch, weil Züchter befürchten, „Phänotypen auszuwählen, die zwar in bestimmten Böden oder Umgebungen nützlich sind, aber in vielen anderen Umgebungen nicht. Diese Art der breiten Anpassung ist in vielen Fällen wichtig.“

Sie wandten sich Landsorten zu, um eine breite Anpassungsfähigkeit zu erreichen, da diese an Umgebungen mit geringem Ressourceneinsatz, wie z. B. eine geringere Stickstoff- oder Phosphorverfügbarkeit, angepasst sind und oft widerstandsfähiger gegenüber abiotischen Stressfaktoren sind als Elitesorten, die für die Produktion mit hohem Ressourceneinsatz gezüchtet wurden.

Die Forscher stellten fest, dass sich Maiswurzeln auf natürliche Weise so konfigurieren, dass sie bei der Bodenerkundung hohe Stoffwechselkosten vermeiden, und kamen zu dem Schluss, dass „intermediäre Wurzelarchitekturen“ bei Züchtungsstrategien im Fokus stehen sollten, um das Wachstum auf unterschiedlichsten Böden zu unterstützen.

„Selbst ressourcenintensive Pflanzenproduktionssysteme sind aufgrund des Klimawandels einem größeren abiotischen Stress ausgesetzt und würden von einem geringeren Inputbedarf profitieren. Daher ist diese Studie von strategischer Relevanz für die globale Maisproduktion“, sagt Lynch.  

Die Forscher stützten ihre Schlussfolgerungen auf bildliche Aufnahmen von Wurzeln einer vielfältigen Auswahl an Maislandsorten (Zea Mays L. subsp. maysEs wurden Bilder von „KnotenwurzelnDie Kronenwurzeln (auch als Kronenwurzeln bekannt) bilden beim Mais das Hauptwurzelsystem der Pflanze. Die Nodalwurzeln entspringen den Stängelknoten oberhalb des Samens, aber unterhalb der Bodenoberfläche, im Blattscheidengewebe. Zusätzlich wurde von jeder Pflanze ein Bild der Keimwurzeln aufgenommen, die aus dem Samenembryo hervorgehen.

„Für jeden Knoten haben wir den Winkel, die Anzahl der Knotenwurzeln, die Häufigkeit der Seitenverzweigungen und den Wurzeldurchmesser gemessen“, schreiben Lopez-Valdivia und Kollegen. Zusätzlich wurde die zweite Knotenwurzel für detailliertere anatomische Untersuchungen ausgewählt.

Die Forscher stellten fest, dass Maispflanzen mit weniger Knotenwurzeln und einem steilen Wuchswinkel in stickstoffarmen Regionen besser wuchsen. Maislandsorten mit mehr Knotenwurzeln und flacher Wuchsform gediehen hingegen gut auf phosphorarmen Böden.

Es wurden jeweils vier Maissorten aus den extremsten ariden und humiden Regionen Amerikas untersucht. Zu den humiden Regionen mit guter Stickstoff-, aber geringer Phosphorverfügbarkeit zählten Maissorten aus Costa Rica und Peru. Die ariden Regionen mit geringer Stickstoff-, aber hoher Phosphorverfügbarkeit umfassten Maissorten aus Argentinien, Peru und Colorado (USA).

Lopez-Valdivia und Kollegen erweiterten die Anwendbarkeit ihrer Arbeit durch eine Struktur-Funktions-Analyse von 96 Mais-Landsorten. Dabei simulierten sie den Erfolg verschiedener Wurzelarchitekturen in unterschiedlichen Umgebungen in ganz Amerika (z. B. Niederschlagsmenge, Höhenlage, Stickstoff- und Phosphorverfügbarkeit). Die Clusteranalyse der Landsorten teilte die Mais-Akzessionen in vier Gruppen ein, die unterschiedliche Wurzelphänotypen eindeutig mit verschiedenen Bodenmilieus in Verbindung brachten.

„Dies deutet darauf hin, dass anatomische Phänotypen, die den Stoffwechselaufwand der Wurzeln reduzieren, die Pflanzenleistung unabhängig von der Umgebung verbessern, während architektonische Phänotypen der Wurzeln eine stärker umweltspezifische Anpassung ermöglichen“, schreiben Lopez-Valdivia und Kollegen.

DER ARTIKEL:: Lopez-Valdivia, I., Rangarajan, H., Vallebueno-Estrada, M. und Lynch, J.(2025) Eine breite Anpassung an die Umwelt ist mit wurzelanatomischen Phänotypen bei Maislandsorten verbunden: ein in silico Studie. Annals of Botany. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1093/aob/mcaf179.

Titelbild: Maislandsorten werden für die Wurzelanalyse vorbereitet. Bild mit freundlicher Genehmigung von Prof. Jonathan Lynch. Roots Lab an der PennState.