Welcher Teil einer Pflanze verspürt Durst, wenn es trocken wird? Früher ging man davon aus, dass Wurzeln beim Austrocknen des Bodens Signale an die Blätter senden, weniger Wasser zu verbrauchen. Jetzt Forschung von Rowe und Kollegen, veröffentlicht in Nature Plants, verrät weitere Details über die Wirkungsweise des dafür verantwortlichen Pflanzenhormons Abscisinsäure (ABA). Überraschenderweise stellen ihre Ergebnisse die Botschaft auf den Kopf und legen dies nahe Abscisinsäure wandert von Blättern, die trockener Luft ausgesetzt sind, zu den Wurzeln um ihnen zu sagen, sie sollen weiter wachsen, um nach Wasser zu suchen. Dieser letzte Faktor ist ebenfalls eine Wendung, da Abscisinsäure normalerweise eher ein Wachstumshemmer als ein Wachstumsförderer ist.
Der Durchbruch ist auf die Entwicklung eines neuen Biosensors, ABACUS2, zurückzuführen. Die Botaniker haben ein Pflanzengenom so verändert, dass Zellen ein Protein produzieren, das bei Kontakt mit Abscisinsäure anders fluoresziert. Durch Beobachtung der Fluoreszenzänderung können sie dann verfolgen, wie sich die Abscisinsäure durch die Pflanze bewegt. ABACUS2 ist eine Verbesserung gegenüber ABACUS1, da es empfindlicher auf Abscisinsäure reagiert und so seine Bewegung auf zellulärer Ebene verfolgen kann. Diese granulare Detailebene eröffnete ein neues Verständnis dafür, wie Abscisinsäure in situ moduliert Wurzelwachstum als Reaktion auf Umweltstress.
Die Ergebnisse enthüllten faszinierende Details über die Wirkungsweise von Abscisinsäure. Wenn die Blattfeuchtigkeit sank, wurde die Pflanzenwurzeln reagierten mit der Ansammlung von Abscisinsäure in der Dehnungszone und hielten so das Wurzelwachstum trotz der suboptimalen Bedingungen aufrecht. Dies zeigt, dass Abscisinsäure entscheidend dafür ist, dass die Pflanze tiefere Bodenschichten zur Wasseraufnahme unter Stress erforschen kann, was ihre Bedeutung für das Überleben der Pflanze unter wasserarmen Bedingungen unterstreicht.
„Wir wissen seit mehreren Jahren, dass Pflanzen bei niedriger Luftfeuchtigkeit das Wurzelwachstum priorisieren. „Bei vielen Arten bleibt das Wurzelwachstum erhalten oder nimmt sogar zu, wenn die Luftfeuchtigkeit sinkt, obwohl die Photosynthese und das Sprosswachstum reduziert sind.“ Dr. James Rowe, Erstautor der Studie, in einer Pressemitteilung.
„Die molekularen Mechanismen hinter diesem Phänomen waren ein Rätsel, bis uns ABACUS2 ermöglichte, ABA-Konzentrationen auf zellulärer Ebene in Arabidopsis thaliana-Sämlingen zu messen.“ Wir haben gesehen, dass sich ABA in den Wurzelspitzen ansammelt, wenn die Blätter einer Belastung durch niedrige Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind. Die Blätter reagieren auf die trockene Luft und weisen die Wurzeln an, weiter zu wachsen, sodass die Pflanzen weiterhin im tieferen Boden nach Wasser suchen können.“
„Sogar einige Pflanzenwissenschaftler sind überrascht, als sie entdecken, dass ABA das Wurzelwachstum fördern kann“, sagte Rowe, „aber es ist tatsächlich sehr wichtig, damit Pflanzen bei Wasserstress weiter nach Wasser unter der Erde suchen können.“
Wenn man versteht, wie sich Abscisinsäure durch die Pflanze bewegt, kann man erkennen, wie die Entscheidungsfindung funktioniert. Im Gegensatz zum Menschen verfügt eine Pflanze über kein zentrales System zur Signalverarbeitung. Eine Pflanze muss gleichzeitig eine Vielzahl von Reaktionen auf unterschiedliche Bedingungen in ihrer Umgebung bewältigen. Die Konzentration der Abscisinsäure ist entscheidend – genau die richtige Menge Abscisinsäure hält das Wurzelwachstum aufrecht, aber zu viel Abscisinsäure führt dazu, dass die Wurzeln nicht mehr wachsen.
Leiter der Forschungsgruppe Dr. Alexander Jones Laut Jones bedeutet diese Empfindlichkeit gegenüber der Abscisinsäurekonzentration, dass die Pflanze nicht überreagiert: „Die ABA in der Wurzel stammt aus dem Phloem, das Zucker und Hormone vom Spross transportiert und in der Wurzelspitze abgegeben wird. Die ABA-Signalgebung kann das Wurzelwachstum bei schwankender Luftfeuchtigkeit feinabstimmen.“
„Niedrige Luftfeuchtigkeit an den Blättern reguliert die ABA-Akkumulation in den Wurzeln, und umgekehrt reguliert geringe Bodenfeuchtigkeit an den Wurzeln den ABA-Gehalt in den Blättern. Dies deutet darauf hin, dass Wurzel und Spross die Reaktionen des jeweils anderen systemisch auf Stressfaktoren regulieren können, die möglicherweise nur lokal auftreten, und somit ein robustes System zur Bewältigung von Wasserstress bereitstellen.“
„Dies sind nützliche Grundlageninformationen, die zum Verständnis der physiologischen Veränderungen beitragen, die bei Nutzpflanzen auftreten, die unter Bewässerung angebaut werden, wo die Luft zwar trocken sein kann, die Wurzeln aber in feuchtem Boden wachsen – ein Zustand, der durch den Klimawandel immer häufiger vorkommt.“
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Rowe, J., Grangé-Guermente, M., Exposito-Rodriguez, M., Wimalasekera, R., Lenz, M., Shetty, K., Cutler, SR und Jones, AM (2022) "Next-generation ABACUS biosensors reveal cellular ABA dynamics driving root growth at low aerial humidity," Nature Plants. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1038/s41477-023-01447-4.
