Vor etwa 9000 Jahren domestizierten die Menschen Teosinte, ein in Mexiko vorkommendes Gras. Das Ergebnis war Mais. Die beiden Pflanzen sind sehr unterschiedlich. Teosinte kann Hunderte von Ähren mit jeweils ein paar Körnern haben. Mais hingegen neigt dazu, nur ein Ohr mit Hunderten von Körnern zu haben. Tragen Unterschiede unter der Erde zu Unterschieden über der Erde bei? Alden Perkins und Jonathan Lynch untersuchten die Anzahl der Samenwurzeln in Maiskeimlingen und ihre Wirkung auf die Nährstoffaufnahme.
Botaniker nennen die Unterschiede zwischen Kulturpflanzen und ihren wilden Verwandten die Domestikationssyndrom. Einige dieser Unterschiede sind beabsichtigt, wie größere Früchte. Andere Effekte können unbeabsichtigt sein, sind aber notwendig, um die Pflanze zu unterstützen. Die Maiswurzeln sind ein Beispiel. Mais bildet Samenwurzeln, Sekundärwurzeln, die Seitenwurzeln aus der Primärwurzel. Perkins und Lynch verweisen darauf zurück frühere Arbeiten von Lynch und anderen dass gefundener Mais im Durchschnitt 3.9 Samenwurzeln hatte. Sein wilder Verwandter Teosinte hatte 0.5.
Diese Wurzeln könnten Teil dessen sein, was Mais als Nutzpflanze so erfolgreich gemacht hat. Die Menschen domestizierten die Pflanze ursprünglich in den tropischen Böden Südmexikos. Hier werden Nitrate leicht aus dem Boden ausgewaschen und es gibt nicht viel Phosphor. Als die Bauern die Pflanze ins mexikanische Hochland brachten, hatten sie ein anderes Problem. Die vulkanischen Böden sollten fruchtbar sein, aber die Böden des mexikanischen Hochlandes haben eine hohe Phosphorfixierung.
Die erhöhte Anzahl von Samenwurzeln verbessert die Phosphoraufnahme, sagen Perkins und Lynch, aber es ist nicht klar, welche Wirkung die Wurzeln auf Stickstoff haben. Es geht nicht nur darum, etwas Mais und Teosinte zu nehmen und zu vergleichen, wie sie Nährstoffe aufnehmen. Denn nicht nur die Wurzeln variieren, sondern auch viele andere Merkmale.
„Um die Einflüsse der Domestizierung auf die Anzahl der Samenwurzeln bei Mais zu verstehen, muss die Pflanzenleistung in verschiedenen Umgebungen und Phänotypen berücksichtigt werden, die zwischen denen von Mais und Teosinte liegen“, schreiben Perkins und Lynch. „Da sich Mais und Teosinte in mehrfacher Hinsicht unterscheiden, einschließlich Vitalität, Bestockung und Wuchsform, ist es schwierig zu verstehen, wie einzelne Komponenten ihrer Phänotypen zur Stressanpassung beitragen. Die Simulationsmodellierung kann ein nützlicher Ansatz zum Verständnis der Wurzelarchitekturen von Mais und Teosinte sein, da sie es ermöglicht, Merkmale isoliert experimentell zu modifizieren, während andere Komponenten des Phänotyps konstant bleiben. Das funktional-strukturelle Pflanzenmodell OpenSimRoot enthält ein detailliertes Wurzelarchitekturmodell, das die Kosten für den Wurzelaufbau, die Atmung und die Nährstoffaufnahme auf der Ebene der einzelnen Wurzelsegmente berücksichtigt (postm et al., 2017). Es ermöglicht auch die Simulation von phosphorarmen Böden und die Simulation von Nitratauswaschung und -abbau im Boden in drei Dimensionen.“
„Die Ergebnisse legen nahe, dass Samenwurzeln sowohl für die Stickstoff- als auch für die Phosphoraufnahme während der Entwicklung von Maissetzlingen von Vorteil sind, und Samenwurzeln können die Stickstoffaufnahme in Umgebungen mit mehreren unterschiedlichen Niederschlagsregimen, Düngungsraten und Bodentexturklassen verbessern. Eine hohe Anzahl von Samenwurzeln ist möglicherweise nicht von Vorteil für Teosinte, da seine niedrigeren Wachstumsraten bedeuten, dass es als Sämling einen geringeren Nährstoffbedarf hat und weil seine kleinen Samen kleinere Kohlenhydratreserven haben, um das Wachstum des Sämlings zu unterstützen.“
Es mag den Anschein haben, dass Mais einfach „fitter“ ist, da seine größeren Samen mehr Wachstum unterstützen können. Perkins und Lynch weisen jedoch darauf hin, dass Mais in einem künstlichen System wächst. Die kleineren Samen von Teosinte ermöglichen es ihm, weiter zu reisen und Populationen aufzubauen. Teosinte wird auch nicht regelmäßig mit Pestiziden übergossen. Das bedeutet, dass es seine eigene Abwehr gegen Pflanzenfresser aufbauen muss, was seine Wachstumsrate verlangsamen kann. Das heißt, es kann die begrenzten Kohlenstoffreserven des Samens in die Keimwurzel (Wurzel) und die Koleoptile (erstes Blatt und Spross) investieren.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen Mais und Teosinte könnte wertvolle Lehren für die Zukunft haben, sagen Perkins und Lynch. „Während die Bedeutung der Samenwurzeln für die Nährstoffaufnahme bei Mais mit zunehmender Reife der Pflanze abnimmt, kann die Anzahl der Samenwurzeln immer noch wichtige agronomische Auswirkungen haben. Stickstoff- und Phosphordünger sind kostspielige Inputs für Maiszüchter, und <60 % des ausgebrachten Stickstoffdüngers werden im Allgemeinen von der Pflanze zurückgewonnen… Düngung und Ertragssteigerung in Low-Input-Systemen.“
FORSCHUNGSARTIKEL
Perkins AC, Lynch JP. 2021. Eine mit der Domestikation verbundene erhöhte Samenwurzelzahl verbessert die Stickstoff- und Phosphoraufnahme bei Maissämlingen. Annals of Botany 128: 453-468. https://doi.org/10.1093/aob/mcab074
Spanische Übersetzung von Lorena Marchant
