Auf der ganzen Welt liegen an Flussmündungen tote Zonen, Gebiete, in denen die Sauerstoffkonzentration so niedrig ist, dass weltweit wenig Leben überleben kann. Ursache ist ein Eintrag von Stickstoff. Dieser Nährstoff fördert das Algenwachstum, aber wenn die Algen absterben, wird dem Wasser der Sauerstoff entzogen – wodurch das Leben erstickt. Das Eindringen von Stickstoff in die Flüsse zu verhindern, würde die Situation verbessern, aber wie kann man das tun? Dr. Patompong Saengwilai und Kollegen haben herausgefunden, dass Wurzeln die Antwort sein könnten. Ihre Forschung, veröffentlicht in der Annals of Botany, zeigt an wie Wurzelhaare die Aufnahme von Stickstoff beeinflussen können. Pflanzen mit besseren Wurzeln könnten die Notwendigkeit reduzieren, den Feldern so viel Dünger zuzuführen.
„Stickstoff ist ein großes Hindernis für die Pflanzenproduktion weltweit“, sagte Dr. Patompong gegenüber Botany One, „und daher neigen Landwirte dazu, eine übermäßige Menge an Stickstoffdünger auszubringen. Mehrere Studien haben jedoch gezeigt, dass mehr als die Hälfte des auf den Feldern ausgebrachten Stickstoffs nicht von Pflanzen aufgenommen wird und aus dem Wurzelbereich ausgewaschen wird. Ein Teil des Stickstoffs wird zu stickstoffhaltigen Gasen, die Luftverschmutzung verursachen, und ein Teil gelangt in das Grundwasser und in Wasserquellen.“
Im Idealfall würden Landwirte weniger Stickstoff in ihrem Dünger verwenden. Sie könnten das tun, wenn die Pflanzen es besser aufnehmen könnten, aber es war nicht klar, wie man das erreichen könnte. Ein Blick auf die Wurzeln mag offensichtlich erscheinen; So sammeln Pflanzen Kalium und Phosphor. Aber Botaniker dachten, Stickstoff sei anders, erklärt Dr. Patompong.
„Der Nutzen von Wurzelhaaren für die Aufnahme von Nährstoffen, die im Boden diffusionsbegrenzt oder relativ unbeweglich sind, wie Kalium und Phosphor, ist weitgehend vorhersehbar, da Wurzelhaare dazu beitragen, das Bodenexplorationsvolumen zu erweitern, wodurch die Pflanzen auf mehr unbewegliche Nährstoffe in der Umgebung zugreifen können der Wurzeloberfläche. Ihre Rolle bei der Stickstoffaufnahme wurde jedoch vernachlässigt, da allgemein angenommen wird, dass Nitrat, die vorherrschende Form von Stickstoff in den meisten landwirtschaftlichen Böden, für Pflanzen leicht verfügbar und nicht durch Diffusion begrenzt ist. Dies trifft in vielen Fällen zu, aber wir wissen aus unseren Beobachtungen und wenigen Studien in der Vergangenheit, dass die Verfügbarkeit von Stickstoff durch Diffusion begrenzt sein kann, insbesondere wenn der Ammoniumanteil im Boden hoch ist, wie in Reisfeldern, oder wenn die Transpirationsrate und Der Stickstoffgehalt im Boden ist gering. Diese Informationen veranlassten uns zu fragen, ob Wurzelhaare die Stickstoffaufnahme von Pflanzen aus N-armen Böden fördern können.“
Um die Rolle der Wurzeln zu testen, verwendeten Dr. Patompong und Kollegen drei Ansätze. Zuerst verwendeten sie das funktional-strukturelle Modell SimRoot. Das Team verglich diese Ergebnisse mit Experimenten mit Mais-Genotypen mit variabler Wurzelhaarlänge (RHL) in Gewächshaus- und Freilandumgebungen.
„Wir haben uns für Mais entschieden, nicht nur weil er eine der wichtigsten Nahrungsquellen für Tiere und Menschen ist, sondern auch eine intensiv untersuchte Modellpflanze. Somit sind viele Ressourcen und Informationen für Forscher und Züchter weltweit verfügbar und zugänglich. Darüber hinaus ist unsere Studie insofern etwas Besonderes, als wir rekombinante Inzuchtlinien (RILs) verwenden, die von denselben beiden Eltern (B73 und Mo17) abstammen und daher unterschiedliche Genotypen mit demselben genetischen Hintergrund darstellen, wodurch das Risiko verwirrender Effekte durch genetische Interaktionen verringert wird. Epistaseund Pleiotropie. Darüber hinaus hatten diese RILs unter normalen Bedingungen vergleichbare Wurzel- und Sprosseigenschaften, aber unterschiedliche Wurzelhaarlängen, sodass sie für unsere Art von Studie sehr gut geeignet sind.“
Die Ergebnisse von SimRoot bereitgestellte Ziele, nach denen in den anderen Experimenten gesucht werden kann. Die Autoren schrieben in ihrem Artikel: „Im Einklang mit SimRoot Ergebnisse, ein positiver Zusammenhang zwischen der Wurzelhaarlänge und der N-Aufnahme wurde sowohl in Gewächshausversuchen… als auch im Feldversuch… beobachtet. Diese allgemeine Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen von in silico Umgebungen, das Feld und das Gewächshaus ist bemerkenswert, da jede dieser Umgebungen unterschiedlich ist.“
Die Reduzierung der Stickstoffverfügbarkeit, um die Pflanzen zu stressen, hatte den Effekt, dass die Wurzelhaarlänge reduziert wurde. Diese Verkürzung ist wichtig, da die Botaniker eine signifikante Beziehung zwischen der Wurzelhaarlänge und der Pflanzenleistung fanden. Die Gewächshauspflanzen hatten tendenziell die besten Wurzelhaare, und das könnte daran liegen, dass sie das beste Wachstumsmedium hatten. „Es ist möglich, dass unter Feldbedingungen das Vorhandensein von Ton und harten Partikeln die Wurzelhaarausdehnung einschränken kann und daher die Wurzelhaarlänge in natürlichem Boden kürzer ist als in künstlichen sandbasierten Medien“, schreiben die Autoren.
Längere Wurzelhaare sind wichtig für die Pflanzen, aber die Wissenschaftler wollten verstehen, warum das so ist. Der SimRoot Modell schlug vor, dass der Grund die Oberfläche war. Wenn die Transpiration verringert wird, wodurch der Wasserfluss durch eine Pflanze verringert wird, kann die vergrößerte Oberfläche der Wurzeln die verringerte Mobilität von Stickstoff ausgleichen.
Dr. Patompong sagte, dass die Ergebnisse des Teams zwar auf Mais basieren, aber auch für andere Pflanzen relevant sein sollten. „Wir gehen davon aus, dass dieses Wissen auf andere Pflanzenarten angewendet werden kann, aber sicherlich muss noch mehr geforscht werden. Zum Beispiel bildet Reis auch Wurzelhaare, aber sie sind typischerweise viel kürzer als Mais, und Reis wird mit unterschiedlichen Anbaumethoden in verschiedenen Agrarökosystemen angebaut, was die Bildung und den Nutzen von Wurzelhaaren beeinflussen kann.“
Dieser Artikel ist nicht die erste Arbeit, die Dr. Patompong über Wurzeln geleistet hat. Frühere Veröffentlichungen haben die Wurzelsysteme von Reis und Maniok untersucht. „Meine Leidenschaft für die Wurzelforschung rührt daher, dass wir nicht wirklich viel über sie wissen. Wenn wir auf die Menschheitsgeschichte der Pflanzendomestikation vor Tausenden von Jahren zurückblicken, haben wir Pflanzen auf der Grundlage ihrer oberirdischen Eigenschaften ausgewählt; große Früchte, große duftende bunte Blumen, aber Wurzeln wurden vernachlässigt, obwohl wir die ganze Zeit wussten, dass der Schlüssel zum Erfolg beim Anbau von Pflanzen ein gutes Wurzelsystem ist.“
„Es gibt nicht viele Leute, die Pflanzenwurzeln studieren, insbesondere im Feldmaßstab, weil es eine „schmutzige“ und sehr arbeitsintensive Arbeit ist. Meine Erfahrung als Forscher in den USA, Südafrika, Japan und Thailand hat mir gezeigt, dass die Auswahl eines guten Wurzelmerkmals das Pflanzenwachstum in rauen Umgebungen fördern und den Landwirten helfen kann, die Düngemittelmenge zu reduzieren, was ihr Einkommen verbessert und die Umwelt schont. ”
Dr. Patompong rennt Wurzellabor Thailand an der Mahidol-Universität. Hier betrachten sie nicht nur die Verbesserung von Pflanzen, sondern auch die Böden, in denen sich die Pflanzen befinden. Ein weiterer neuerer Artikel aus dem Labor ist Reaktionen von Enzymaktivitäten, Metabolismus und Abbaukinetik von Ölabbauern auf Bohnenwurzelexsudate während der Rhizosanierung von mit Rohöl kontaminiertem Boden. Er empfiehlt allen Studenten, die sich für Phytoremediation interessieren, „es zu versuchen“.
„Im Vergleich zu anderen Technologien wird die Phytoremediation einige Zeit in Anspruch nehmen, aber sie ist eine der umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Methoden, um die Umwelt zu reinigen. Mein Rat an alle Studenten ist, sich von den Problemen der realen Welt inspirieren und motivieren zu lassen. Wenn möglich, besuchen Sie den Ort, sehen Sie sich das Land an, sprechen Sie mit den Menschen, deren Leben von der Verschmutzung betroffen sind, und nutzen Sie diese als Motivation für Ihr Studium. Ich habe festgestellt, dass Sie Freude und Erfolg finden werden, wenn Sie Ihre Karriere mit dem Ziel beginnen, durch Wissen, Technologien oder andere Mittel, die Sie mit Leidenschaft leisten können, einen Beitrag zur Gesellschaft zu leisten.“
Für Dr. Patompong hat seine Leidenschaft eindeutig Wurzeln und könnte Teil dessen sein, was seine akademische Zusammenarbeit antreibt.
„Was mich persönlich an Pflanzenwurzeln am meisten fasziniert, ist, dass sie mir eine Lebensphilosophie beibringen. Wurzeln sind nicht nur im Boden vorhanden, sondern interagieren mit anderen Wurzeln, Elementen, Mikroben und anderen Bodenlebewesen. Sie konkurrieren und helfen sich dennoch gegenseitig, Leben zu erhalten, um ein ausgewogenes Ökosystem zu schaffen. Jede einzelne Wurzel wird für einen bestimmten Zweck geschaffen, und selbst eine kleine Änderung in der Wurzelanatomie kann eine signifikante Veränderung des gesamten Pflanzenwachstums und des Ökosystems um sie herum bewirken. Jeder ist ein Teil des Planeten, und wir können einen erheblichen positiven Einfluss auf die Welt, in der wir leben, ausüben.“
FORSCHUNGSARTIKEL
P. Saengwilai, C. Strock, H. Rangarajan, J. Chimungu, J. Salungyu, JP Lynch. 2021. Wurzelhaarphänotypen beeinflussen die Stickstoffaufnahme in Mais. Annals of Botany. https://doi.org/10.1093/aob/mcab104
